高地温影响下的水工隧洞围岩应力变形规律分析

针对高地温环境下的水工隧洞,从平面空间角度出发,对不同方位路径、围岩深度、温度变化、地层深度、侧压力系数影响下的隧洞围岩应力变形特征进行研究.结果表明:隧洞开挖面处径向应力为零,离开挖面越远围岩径向应力就越大,隧洞开挖后围岩位移最大值位于拱顶处.围岩深部温度变化会对开挖面位移产生较大影响,对隧洞拱顶及洞底位移的影响尤其...     

不同开挖方式下高地温引水隧洞围岩瞬态温度-应力耦合分析

为研究高地温引水隧洞围岩在温度-应力耦合作用下的瞬态应力分布特性,以新疆某高地温引水隧洞为依托,基于Mohr-Coulomb本构模型,采用有限元法分别对全断面开挖方式和分层开挖方式下的高地温引水隧洞围岩瞬态温度-应力耦合场进行模拟分析。结果表明,不同开挖方式下围岩塑性区不同,全断面开挖方式下围岩塑性区范围约为分层开挖条件下的2倍;隧洞开挖后随着时间的推移,围岩腰拱处压应力逐渐减小,高压应力区自洞壁逐渐向深处移动,围岩压应力最大值位于腰拱0. 4 m深度处;全断面开挖围岩最小主应力比分层开挖小18%。     

基于对流-导热耦合模型的寒区水工隧洞围岩温度-应力耦合分析

为研究不同环境条件下水工隧洞围岩瞬态温度-应力耦合场的分布特性及变化规律,以新疆某寒区水工隧洞为依托,基于M-C本构模型,采用有限元仿真计算,对不同自然通风温度和不同风速下水工隧洞洞口及洞中位置围岩温度-应力耦合场进行系统分析。结果表明,隧洞洞中位置的温度高于洞口,自然通风时洞中位置产生的温差大于洞口位置;由温差产生的温度应力(拉应力)抵消了部分围岩压应力,洞中位置主应力受对流-导热影响大于洞口;通风时间增加,隧洞的塑性应变值及塑性区范围都增加,150 d时塑性应变值在洞口腰拱位置较大,为0.019,塑性区半径约为1倍洞径,厚度约为2.08 m;通风风速增加,隧洞主应力值及塑性应变值都减小,但变化幅度很小;通过150 d有无温度荷载条件对比得出,温度应力在腰拱位置最大,为0.16 MPa。     

高地温水工隧洞围岩塑性区特征及其锚固力学特性分析

为探究高地温下水工隧洞开挖后锚杆轴力分布、不同时间和不同温度下围岩塑性区特征，以新疆某水电站引水隧洞高温洞段为研究对象，以现场监测的温度数据和锚杆轴力数据为基础，基于Dracker-Prager本构模型，采用有限元法对高地温水工隧洞施工期的温度-应力耦合场进行围岩塑性区模拟分析。结果表明，高地温水工隧洞中各锚杆轴力均为拉应力，随时间不断增大，曲线斜率逐渐减小，各锚杆轴力最大处位置有所不同，但各锚杆在第8 d后前端轴力增长明显减缓；随着时间的推移，围岩塑性区向上下扩展，且塑性区厚度增加，塑性应变值逐渐增大；围岩初始温度越高，开挖后洞壁与内部围岩的温差越大，温度应力对围岩塑性区的影响越大；围岩的温度越高，塑性区更容易在拱肩处向围岩深处恶化发展。     

布仑口水电站高温引水发电隧洞受力特性研究

新疆布仑口-公格尔水电站位于西昆仑山腹地,在强烈的新老地质构造运动作用下引水发电隧洞前段存在高地温现象(实测温度105℃),严重影响隧洞施工和支护结构的耐久性。采用解析方法研究了该隧洞围岩和支护结构的温度分布规律和受力特性。首先采用瞬态和稳态两种方法研究温度分布规律,在此基础上研究了温度和应力耦合作用下围岩和支护结构的受力特性,最后初步设计了衬砌伸缩缝间距。研究表明低温冷水对围岩和支护结构的温度场影响显著,过水瞬时围岩内壁温度发生骤降(ΔT=60℃);运行期支护结构应力近似呈线性分布,而围岩应力却表现出明显的非线性特性。     

热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构耦合力学特性及相互作用机制

在高海拔寒区,围岩与支护结构的相互作用过程是影响水工隧洞结构稳定的重要因素。为了研究热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构相互作用的时空演化规律,以新疆某寒区水工隧洞为依托,基于现场监测资料,采用有限元仿真模拟,计算温度效应下围岩-衬砌相互作用的弹塑性解析解,分析热力作用下隧洞耦合结构温度场和应力场的时空分布特征。结果表明：洞内低温对耦合结构的温度场和应力场影响较大,应实施防寒保温措施,保证在极端天气下,结构沿径向2.7 m内温度不低于0℃;通风前期,温度应力对耦合结构的应力变化起主导作用,21 d后还要考虑衬砌支反力、围岩被动支反力以及围岩外边界约束的共同耦合作用;对流前48 d结构内侧受拉,结构洞腰内侧出现最大拉应力155 kPa, 48 d后结构压应力激增,并且48～60 d内耦合应力增长速率最快。随着温度的降低,-1.95℃为洞顶和洞底的拉应力激增点,洞腰前期拉应力急剧增大,于-3.5℃开始缓慢减小。本次研究揭示了热-力作用下围岩支护结构相互作用的动态全过程,可为寒区隧洞安全施工提供依据。     

高温引水隧洞应力场分布的研究

研究高温隧洞在温度稳定时,达到热平衡条件下的温度场及其引起的温度应力与隧洞自重应力的耦合分布形式。通过应用弹性力学中无限长圆筒对称温度应力的解析解与有限差分软件对温度场的分析,得出温度场及隧洞径向应力σρ、环向应力σφ和轴向应力σz的分布形式,表明在变温区,径向应力σρ呈先增大后减小趋势,环向应力σφ沿着洞径方向由拉应力变化为压应力,轴向应力σz沿着洞径方向为压应力增大。模拟温度应力与自重应力耦合作用下在隧洞水平边墙和洞室顶部的应力分布规律。表明在两个不同位置处的耦合应力分布明显不同,环向应力σφ在水平边墙处为压应力,且逐渐增大后趋于稳定,而在隧洞顶拱处为拉应力,逐渐变为稳定温度区的压应力。隧洞洞顶拱处的混凝土衬砌在耦合应力作用下处于拉应力状态,在环向拉应力作用下极易产生裂缝。更多还原     

锚杆支护下引水隧洞稳定性分析

基于锚杆支护下引水隧洞的力学模型,利用有限元软件建立引水隧洞三维数值模型,并依据前人的研究,从围岩变形、隧洞位移和应力分布情况等方面对该模型进行验证。基于此,针对隧洞围岩稳定性系数进行计算,对相关参数进行敏感性分析,包括锚杆夹角、锚杆排距、锚杆直径、锚杆弹性模量以及不同预紧力和隧洞半径。结果表明,经过多方面比较,验证了该引水隧洞三维数值模型的合理性。相同参数下,锚杆越长,围岩稳定系数越低。围岩稳定系数与锚杆夹角、锚杆排距和锚杆弹性模量延锚杆长度变化呈正比,与锚杆直径、预紧力和隧洞半径呈反比。此外,锚杆排距对围岩稳定系数影响最为显著,因此在实际工程中,应尽量避免布置过于密集的锚杆进行隧洞加固。     

断裂破碎带围岩松动区隧洞开挖应力变形特性分析

隧洞开挖过程中穿越断裂破碎带时,由于岩体条件差,在施工方式扰动下普遍会引起围岩出现松动圈,甚至坍塌。为厘清隧洞开挖过程中围岩松动圈应力及变形变化规律,以哈密抽水蓄能电站通风兼安全洞为例,建立三维数值计算模型,采用有限差分法,分析了断裂破碎带围岩松动圈隧洞开挖支护过程中围岩径向应力、变形及塑性区变化规律。结果显示顶拱径向应力主要集中在松动圈前端,且下半层的开挖对其应力影响较小;隧洞上、下半层开挖对拱顶径向变形规律一致,均沿开挖深度呈抛物线型分布,且最大值均位于松动圈前端;开挖完成后,不同部位围岩的变形大小关系为拱顶 ＞边墙中心 ＞拱肩;围岩塑性区主要分布在边墙和底板周围,且均为剪切塑性破坏,因此施工过程中还需加强边墙和底板处的支护措施。研究成果可为断裂带围岩坍塌形成松动圈隧洞支护设计提供参考。     

非圆形压力隧洞考虑支护滞后过程的应力与位移解析解

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,考虑衬砌的支护滞后效应,并认为衬砌与围岩完全接触,提出了带有衬砌的非圆形水工隧洞在原始地应力和内水压力共同作用下的应力与位移解析解,且求解过程中采用幂级数法简化计算。以马蹄形隧洞为例,用ANSYS进行数值计算,并与解析解进行对比验证;计算隧洞围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向正应力以及围岩与衬砌之间的接触应力;讨论在不同侧压力系数、位移释放系数和内水压力下围岩与衬砌的应力分布规律。结果显示:解析解与数值解吻合较好;位移释放系数和内水压力对衬砌及围岩的应力分布影响显著,当位移释放系数和内水压力较大时,在衬砌内边界将出现拉应力区。研究结果为非圆形水工隧洞的围岩与衬砌的应力与位移分析提供了可行方法。     

高地温条件下深埋隧洞围岩温度—应力分析及施工对策

以位于西昆仑山区的齐热哈塔尔水电站引水发电隧洞高地温洞段为例,初步分析了工程区隧洞高地温洞段大地热流背景及其形成机理,针对隧洞围岩的高地温分布特征,建立典型高地温洞段地质模型,利用有限元软件模拟隧洞施工贯通通水后的围岩岩体温度场,并由此来推断热应力对于围岩稳定性的影响。结果表明,围岩温度90℃以上、空气温度50℃以上的高地温洞段,内外温差大于10℃(里低外高),若采用无衬砌和一次支护方案对高地温洞段围岩进行支护,该洞段内大部分区域的最大主拉应力将超过C25混凝土的抗拉强度,易产生整体拉裂破坏;若采用钢筋混凝土衬砌结构方案,则可以通过增加衬砌结构的配筋量来降低其最大主应力值,此时隧洞围岩及衬砌结构均未出现整体拉裂破坏。研究成果能够为保证该高地温隧洞的安全运行提供可靠的设计依据。     

高地温隧洞温度场三维数值模拟分析

在高地温条件下,温度场是影响引水隧洞结构稳定的重要因素。为了研究不同工况下引水隧洞的温度场特性,以新疆布仑口—公格尔水电站高地温引水隧洞为依托,采用有限元仿真模拟的方法建立三维模型,对不同工况下高地温引水隧洞围岩及衬砌结构的稳态温度场特性进行了模拟计算,并取衬砌结构及围岩不同测点的温度场特性值进行对比分析。结果显示:受洞口及掌子面影响,围岩及衬砌温度随洞深增大可分为平缓段和骤升段两个阶段,且呈非线性变化。衬砌腰拱与顶拱内表面温差随洞深增大逐渐减小,且与工况有关,施工期最大值为1.26℃,运行期最大值为0.22℃。从模拟结果与实测结果的对比分析可知,实测与模拟所得围岩温度场分布特性相同。研究成果可为高地温引水隧洞热力耦合分析及其洞室稳定性提供了理论依据,同时也可为高地温区相关工程提供参考。     

高地温水工隧洞围岩喷层结构承载特性研究

为研究水工隧洞在高地温复杂环境下喷层结构的受力特性,以新疆某高地温引水隧洞为依托,采用理论分析和数值模拟的方法,对高地温引水隧洞喷层结构的受力特性进行了研究,并分析了线膨胀系数、围岩不同深度温差以及地应力水平侧压力系数对隧洞喷层结构受力特性的影响。由计算结果可知:在高地温情况下,理论计算的径向压应力最大值为2.07 MPa,环向压应力最大值为35.37 MPa;数值模拟的径向压应力最大值为4.36 MPa,环向压应力最大值为34.37 MPa。通过对比发现:理论计算的径向位移最大值为1.2 mm,环向位移最大值为0.75 mm;数值模拟的径向位移最大值为2.1 mm,环向位移最大值为0.95 mm。数值模拟的结果表明:隧洞围岩喷层结构承受的应力随着线膨胀系数增加会增大;喷层的拱顶与拱底处承受的环向应力随着温差的增加会增大,喷层的拱腰处承受的环向应力随着温差的增加会减小;喷层结构承受的应力随着地应力水平侧压力系数的增加会增大。     

齐热哈塔尔水电站大深埋长隧洞关键技术难题及对策

齐热哈塔尔水电站工程发电引水隧洞存在隧洞长、埋深大、高地应力、岩爆和高地温等复杂工程地质问题,因此,对隧洞围岩稳定、施工期安全、隧洞支护荷载和衬砌型式等的研究至关重要。通过采用现场围岩变形和地应力释放测试、数值模拟反演分析和衬砌时机试验研究等方法,分析了深埋长隧洞高地应力与岩爆的产生机理、岩爆特征和破坏形式,以及高地温的成因,研究了高地应力、岩爆和高地温对施工、衬砌荷载和衬砌型式的影响。针对上述问题对策如下:对于高地应力围岩洞段,开挖完成后,初期支护采取时间滞后的方式消减高地应力;对于岩爆洞段,采取主动预防措施和强施工支护,确保施工安全,将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低;对高地温洞段开挖采取通风、在掌子面和风带口放置冰块、对掌子面和附近岩体喷水等降温措施,而且完善和优化了隧洞一次支护和二次衬砌设计。这些措施保证了引水隧洞的施工和运行安全,对类似地质条件的隧洞工程设计和施工具参考价值。     

基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解

为进行流变围岩圆形隧洞工程应力、应变分析,将Hoek-Brown强度准则引入到西原流变本构模型,同时在力学模型中考虑掌子面推进效应和支护阻力对围岩应力释放率的影响,得到了支护条件下基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解。通过锦屏二级水电站引水隧洞案例验证解析方法的可靠性,并进行了塑性区半径和围岩变形的影响因素定量分析。研究结果表明:(1)基于Hoek-Brown准则的西原模型更能反映实际隧洞工程岩体流变特性,建立的解析方法能够考虑围岩应力释放效应和塑性体积扩容特征对围岩变形的影响,其计算结果与实际监测数据吻合良好;(2)围岩应力释放系数、Hoek-Brown准则参数s、原岩应力和隧洞半径对塑性区半径的影响较大,是判断流变围岩隧洞稳定性的主要考虑指标,相对而言,岩石单轴抗压强度和Hoek-Brown准则参数m对塑性区半径的影响较小;(3)引入围岩扩容系数后,围岩位移量显著增加,但基本不影响围岩流变变形曲线形态和塑性区半径,从洞壁向围岩内部延伸,围岩扩容系数对围岩变形的影响越来越小。     

高地温引水隧洞隔热支护结构温度及应力特性分析

以解决高地温特殊环境下引水隧洞支护结构隔热保温问题及优化支护结构设计为目标,研究高地温引水隧洞不同隔热支护结构聚苯乙烯泡沫聚苯板(EPS)、聚苯乙烯泡沫挤塑板(XPS)的温度分布规律及受力特性,以新疆某水电站引水隧洞为研究对象,基于隧洞现场监测试验成果,采用有限元软件对支护结构的温度场和应力场进行模拟。结果表明:采用隔热层能减少温度对围岩和支护结构温度分布的影响;高地温隔热支护结构中隔热选材必须具有良好的保温隔热性能和一定的强度;EPS板两侧温差比XPS板两侧温差大2.11℃;相较XPS复合衬砌和普通混凝土衬砌, EPS复合衬砌内外温差最小,EPS复合支护结构隔热性能最好;三种衬砌结构拱顶处环向应力均最大,相比之下EPS复合衬砌环向应力最小,其值为0.40 MPa,EPS复合支护结构受力特性最好。对比分析结果表明,支护结构隔热选材上EPS板性能优于XPS板。     

隧道围岩应力和塑性域的双剪强度理论的分析

针对隧道开挖围岩产生塑性屈服的应力条件变化及稳定性问题,根据隧道围岩的平衡条件和统一强度理论塑性条件,求解得到了圆形隧道的径向应力和环向应力。分析了平面应变条件下统一强度理论的强度参数及围岩支护压力与隧洞半径之间的关系。探讨了平面应变下中主应力参数和统一强度理论次主剪应力系数变化条件下圆形隧道围岩径向应力和切线应力随径向半径的变化规律分布。考虑了支护压力和平面应变统一强度理论中主应力参数和次主剪应力系数对塑性域半径的影响,分析结果表明引入中主应力参数的塑性计算结果更加符合实际。     

超高地温条件下引水隧洞施工关键技术探讨

娘拥水电站引水隧洞全长15 406 m,马蹄型断面。在1#支洞及该支洞下游主洞开挖过程中遭遇了高地温围岩,最高岩体温度高达86℃,高地温段洞室长度长达400 m。基于高地温隧洞施工实践,从降低洞内环境温度、钻爆开挖控制、初期支护措施等关键因素着手对高地温隧洞施工关键技术进行了探讨。     

基于监测的深埋引水隧道原始水头分析

针对"荷载—结构物"模型,基于现场实测数据资料,在深埋隧道围岩轴对称假定前提下,基于渗流理论推导出施工期隧道开挖后围岩内水压力分布的解析解,研究远场稳定水头与远场稳定水头半径的相互关系,提出通过现场围岩地下水水压监测数据反推远场稳定水头和远场稳定水头半径的思路和方法。以引汉济渭工程越岭段隧道为例,根据施工期地下水的水压监测资料,分析了部分洞段隧道部位的初始水压力及隧道开挖后形成的稳定远场水头半径,得到衬砌结构外水荷载。结果表明:在隧道内只要测到某一围岩深度的水头值,就可以确定远场稳定水头与影响半径;洞段K77+993断面围岩深度14 m处压力水头为10.50 m,则远场稳定水头为39.65 m,影响半径43.65 m。研究成果能够为注浆和排水设计提供借鉴和参考。     

不同岩壁温度对围岩—喷射混凝土粘结强度的影响分析

本文以齐热哈塔尔水电站工程为依托,设计研制了高地温隧洞模拟试验装置,并试验分析了高地温热害洞段不同岩壁温度对围岩—喷射混凝土粘结强度的影响,同时进行了机理分析。试验结果表明:在空气相对湿度为90%的工况下,岩壁温度在50~90℃之间时,岩壁温度越高,粘结面混凝土微细观结构越为疏松多孔,粘结强度越低,并且90℃的高温岩壁喷射混凝土28 d龄期粘结强度要低于7 d龄期粘结强度。因此,建议在高温洞段采取铺设隔热层、喷射耐热混凝土、高湿养护等措施。