劉乃飛,李 寧,2,余春海,姚顯春,劉俊平

(1.西安理工大學 巖土工程研究所,陜西 西安 710048;2.中國科學院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;3.新疆水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

布侖口水電站高溫引水發(fā)電隧洞受力特性研究

劉乃飛1,李 寧1,2,余春海3,姚顯春1,劉俊平1

(1.西安理工大學 巖土工程研究所,陜西 西安 710048;2.中國科學院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;3.新疆水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

新疆布侖口-公格爾水電站位于西昆侖山腹地,在強烈的新老地質構造運動作用下引水發(fā)電隧洞前段存在高地溫現(xiàn)象(實測溫度105℃),嚴重影響隧洞施工和支護結構的耐久性。采用解析方法研究了該隧洞圍巖和支護結構的溫度分布規(guī)律和受力特性。首先采用瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種方法研究溫度分布規(guī)律,在此基礎上研究了溫度和應力耦合作用下圍巖和支護結構的受力特性,最后初步設計了襯砌伸縮縫間距。研究表明低溫冷水對圍巖和支護結構的溫度場影響顯著,過水瞬時圍巖內(nèi)壁溫度發(fā)生驟降(ΔT=60℃);運行期支護結構應力近似呈線性分布,而圍巖應力卻表現(xiàn)出明顯的非線性特性。

布侖口-公格爾水電站;高溫引水隧洞;圍巖;支護結構;溫度分布;受力特性

隨著西部大開發(fā)的持續(xù)推進,許多關系國計民生的基礎工程(如水利、交通和采礦工程)在環(huán)境惡劣、地質結構復雜的高山峽谷展開,這將不可避免地遇到許多前所未有的工程難題(如高地溫、高地應力、地震和泥石流等),嚴重影響工程的順利施工和安全運行[1]。特別是對于水利水電工程建設,隨著可利用水資源的不斷減少,為了尋求可開發(fā)的水頭落差,不斷向江河的源頭發(fā)展,工程條件之差更是難以想象。

水利工程界人們最關心的問題之一是永久支護結構的長期運行穩(wěn)定性。常規(guī)受力條件下襯砌結構的安全問題,國內(nèi)外已有了大量的研究成果。早在1985年呂有年等就系統(tǒng)研究了水工壓力隧洞灌漿式預應力襯砌和圍巖在各種應力狀態(tài)下的分析方法,并應用塑性強化理論分析了隧洞圍巖和支護結構的受力特性[2-3]; D.Kolymbas等基于保角映射原理推導了地下水對圓形排水隧洞靜態(tài)穩(wěn)定評價公式[4];馮夏庭[5]、陳衛(wèi)忠[6]等對錦屏二級水電站引水隧洞的穩(wěn)定性進行了研究。鄭治等對水工隧洞受力特性進行了研究,指出現(xiàn)行水工隧洞結構設計規(guī)范的諸多不合理之處,并提出了水工隧洞襯砌按構造配筋的設計思路[7];汪基偉等采用鋼筋混凝土有限單元法對隧洞襯砌的受力特性進行了分析[8];張志強研究了頂部分布有軟弱夾層隧洞的圍巖穩(wěn)定性與支護結構安全性[9];侯靖等通過計算對比并結合工程實踐經(jīng)驗,討論了水工高壓隧洞結構設計的面力理論和體力理論的適用條件[10];張明聚、胡少偉、張貴金等也在隧洞受力方面做了不少研究工作[11-13]。然而這些研究成果主要集中在地應力和地下水的影響方面,對于高溫這一特殊的地質情況卻鮮有涉及。早在19世紀后半葉巖土工作者就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了高地溫現(xiàn)象對工程的影響[14]。而我國關于高地溫研究方面的記錄是云南黑白水三級電站引水隧洞(1993年)[15]。目前國內(nèi)高地溫研究方面比較有代表性的就是西安理工大學,課題組結合實際工程展開了大量的研究工作[16]。

新疆布侖口-公格爾水電站位于昆侖山腹地,由于區(qū)域熱流背景下地質結構的各向異性導致熱傳導條件空間變化,進而引起熱流密度向熱阻小(熱傳導條件較好)的局部區(qū)域集中[17],致使引水發(fā)電洞前段存在高地溫現(xiàn)象,給隧道施工和支護結構安全帶來極大的影響和危險,特別是在運行期會使支護結構兩側產(chǎn)生巨大的溫度拉應力,影響工程的長期運行安全。本文以布侖口-公格爾水電站高溫引水隧洞為依托,首次將解析方法應用于實際工程,研究高溫引水發(fā)電隧洞圍巖及支護結構的溫度分布規(guī)律以及不同工況下圍巖和支護結構的受力特性,同時還對溫度和應力耦合作用下的襯砌伸縮縫間距進行了探討,以期該研究成果能為本工程及類似工程的研究設計與施工建設提供技術指導和借鑒參考。

1 布侖口高溫引水隧洞概況

布侖口-公格爾水電站工程位于新疆克孜勒蘇自治州阿克陶縣境內(nèi),是一項具有灌溉、發(fā)電、防洪和改善生態(tài)環(huán)境等綜合利用效益的大(2)型二等工程,所屬公格爾電站是蓋孜河中游的第一級電站。發(fā)電引水隧洞位于蓋孜河左岸,進口位于Ⅷ壩線上游約240 m處,向北東穿過山包、過比克塔日尕克溝,沿蓋孜河左岸高山區(qū)(推薦方案山頂最高海拔4 750 m)向下游延伸至314國道1 600 km里程碑處,總長17.36 km(高地溫洞段平面圖見圖1)。

圖1 發(fā)電引水隧洞高地溫段平面布置Fig.1 Plan layout of high-temperature diversion tunnel

沿線山勢陡峻,基巖多裸露,一般高程3 500～5 000 m,河谷狹窄,谷坡陡峻,地形總趨勢西高東低。蓋孜河左岸最高峰——薩爾祖魯克峰海拔6 678 m,終年積雪,在河谷左岸有現(xiàn)代冰川分布,常沿沖溝發(fā)育冰舌、冰水洪積扇等地貌。引水隧洞沿線為下古生界志留～中泥盆系、新生界第四系地層和加里東期侵入巖等。據(jù)發(fā)電洞施工支洞開挖揭露,發(fā)電引水隧洞前段存在高地溫問題(實測最早溫度約為105℃),為2′#,3#,4#三條施工支洞,圍巖巖層均為云母石英片巖夾有石墨片巖,3條支洞內(nèi)干燥,未見地下水出露,個別裂隙中見有白色熱氣冒出(施工現(xiàn)場見圖2)。根據(jù)施工支洞的位置推測引水發(fā)電隧洞主洞樁號2+ 680 m—6+799 m段存在高地溫,在施工時需要采取一定降溫措施。

圖2 3#支洞施工區(qū)現(xiàn)場Fig.2 Construction site of 3#branch tunnel

2 圍巖及支護結構溫度分布規(guī)律

高地溫隧洞溫度場的分布規(guī)律對圍巖和支護結構的受力特性影響巨大,因此在研究高溫條件下圍巖和支護結構的受力特性之前,首先應對高地溫隧洞溫度場的分布規(guī)律進行深入分析,本節(jié)分別采用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種分析方法來研究溫度場的分布規(guī)律。

2.1 熱學分析參數(shù)及恒溫邊界的確定

根據(jù)《布侖口初設地質報告》和水工隧洞設計規(guī)范選取的相關熱力學參數(shù),如表1所示。

對于高地溫深埋地下洞室,假定在巖層較遠距洞軸線半徑R處的溫度不受地面溫度和洞內(nèi)水溫周期性波動的影響,視為常數(shù)T0。蔡曉紅等[18]指出R可由巖石的導熱系數(shù)λ、比熱c、密度ρ、開挖半徑r0及一年內(nèi)最低溫度持續(xù)時間tm確定,即

表1 圍巖及支護結構熱力學參數(shù)Tab.1 Thermodynamic parameters for surrounding rock and supporting structure

將相關參數(shù)代入式(1)得R/r0=3.06,R=7.5 m,由于該引水隧洞埋深達200多米,本文將R適當放寬至10.0 m。

2.2 瞬態(tài)溫度場求解

圓形洞室某一截面的傳熱過程可以簡化為一維熱傳導過程,其非穩(wěn)態(tài)熱傳導控制微分方程為:

截面外邊界為恒溫邊界,內(nèi)表面與流體進行對流換熱,王義江在給定邊界條件下對該式進行了求解,獲得了圍巖溫度隨時間的變化格式[19]:

其中βm為求解中間產(chǎn)物超越方程(4)的非負根:

編寫FORTRAN程序求解該超越方程,即可獲得任意時刻不同半徑處圍巖溫度分布情況。

2.3 瞬態(tài)溫度場分布規(guī)律

本文選取超越方程前10 000個非負實根來求解圍巖瞬態(tài)溫度場,溫度場分布規(guī)律如圖3和4所示。

圖3 圍巖溫度隨時間變化曲線Fig.3 Temperature curves of surrounding rock

圖4 不同時刻圍巖溫度分布曲線Fig.4 Evolution curves of temperature distributions

由圖3可知隨著圍巖與外部流體進行熱量交換,在熱傳導作用下圍巖溫度不斷降低,最后趨于穩(wěn)定。過水瞬時圍巖內(nèi)壁溫度發(fā)生驟降,變溫幅度約為65℃,沿巖體深部變溫梯度呈遞減趨勢,直至恒溫邊界。距洞壁越遠圍巖溫度對低溫冷水的響應越遲緩,趨于穩(wěn)定的時間也越長。在對流換熱和熱傳導共同作用下圍巖溫度場再次調(diào)整穩(wěn)定需5個月。

圖4為不同時刻圍巖溫度場分布曲線,從圖中可以看出對流換熱1 d后,低溫冷水對圍巖溫度場的影響半徑約為4.75 m,10 d后影響半徑約為9.45 m,20 d后全斷面均已受到低溫冷水影響。隨著時間的推移圍巖內(nèi)部溫度分布逐漸趨于平緩,圍巖溫度逐漸趨于穩(wěn)定,圍巖內(nèi)部溫度調(diào)整速率逐漸趨于零。洞壁和恒溫邊界溫度變化較小,對流換熱作用下巖體變溫區(qū)溫度不斷調(diào)整,直至穩(wěn)定。

2.4 穩(wěn)態(tài)溫度場分布規(guī)律

采用文獻[18]中的公式求解高溫隧洞穩(wěn)態(tài)溫度場,當隧洞冬季通過低溫冷水時,襯砌內(nèi)邊界溫度達到最低值,隧洞圍巖半徑R以外仍為初始溫度T0,則可求得隧洞溫度場分布規(guī)律,如圖5所示。

從圖5可見,隧洞穩(wěn)態(tài)溫度分布規(guī)律和圖4中的瞬態(tài)溫度分布規(guī)律一致,距洞壁越遠其溫度越接近于圍巖初始溫度。由于圍巖和混凝土導熱系數(shù)相差較大,因此噴層和圍巖連接處溫度呈非光滑過度,沿巖體深度方向圍巖溫度逐漸升高,溫降減小。襯砌內(nèi)表面最大溫降約為14.68℃,而噴層溫度升高了約5℃,圍巖壁面最低溫降為68℃。當對流換熱系數(shù)降低50%時,隧洞壁面溫度提高了約6%,而當導熱系數(shù)降低50%時,隧洞開挖面溫度降低了約35%,可見導熱系數(shù)對隧洞溫度場影響明顯大于對流換熱系數(shù),因此,為了確保分析結果的準確性,參數(shù)(特別是導熱系數(shù))選取應盡量準確。

圖5 隧洞穩(wěn)態(tài)溫度場分布規(guī)律Fig.5 Steady temperature field distribution

3 圍巖及支護結構受力特性研究

圖6 溫度應力計算Fig.6 The calculating sketch for temperature stress

3.1 溫度應力解析公式

高溫隧洞中,圍巖沿徑向方向的尺寸遠小于沿洞軸向的尺寸,因而可按平面應變問題處理。溫度應力由自生溫度應力和彈性約束溫度應力兩部分組成。首先根據(jù)無限長厚壁圓筒理論可得圍巖及支護結構的自生溫度應力計算公式[18]為:

式中:α為膨脹系數(shù);E為彈性模量;μ為泊松比,ΔT為溫差;σr,σφ,σz分別為徑向、環(huán)向和軸向應力,其余參數(shù)意義見圖6。

其次在假定兩種物體完全接觸的基礎上,根據(jù)二者接觸面處變形連續(xù)的條件,基于拉梅應力公式可得彈性約束溫度應力計算公式[18]:

式中:ps為熱彈性約束力,其余符號同式(5)。

由式(6)綜合內(nèi)水壓力等可得耦合約束應力,再加上自生溫度應力即可得總耦合應力。

3.2 襯砌受力特性

襯砌結構徑向應力分布如圖7。從圖中可以看出襯砌結構徑向應力較小,耦合作用下沿厚度方向襯砌徑向受力均為拉應力,最大值位于襯砌中部,約為0.20 MPa;而內(nèi)水壓力單獨作用下,襯砌徑向受壓,沿厚度方向近似呈線性遞減,內(nèi)壁最大壓應力約為0.30 MPa;自生溫度應力兩端小中間大,最大值位于襯砌中部,約為0.12 MPa;耦合約束應力隨半徑增大而增大,最大值約為0.10 MPa。

圖8為襯砌結構環(huán)向應力分布曲線。從圖中可以看出襯砌環(huán)向應力各組分沿深度方向均呈線性分布,耦合作用下襯砌環(huán)向全斷面受拉,低溫冷水作用下襯砌發(fā)生了冷縮,環(huán)向最大拉應力出現(xiàn)在襯砌內(nèi)壁,約為4.80 MPa。在內(nèi)水單獨作用下襯砌環(huán)向全斷面承受約0.80 MPa的均勻環(huán)向拉應力;自生溫度應力沿厚度方向由拉應力轉換為壓應力,而耦合約束應力近似均勻分布,約為2.20 MPa。

圖7 襯砌徑向應力分布曲線Fig.7 Radial stresses distribution of lining

圖8 襯砌環(huán)向應力分布曲線Fig.8 Hoop stresses distribution of lining

3.3 噴層受力特性

初期支護厚度為15 cm,溫度荷載和內(nèi)水壓力耦合作用下噴層徑向全斷面受拉,沿噴層厚度方向近似呈線性遞減,內(nèi)壁最大拉應力約為0.10 MPa。噴層厚度較小,自生溫度應力也較小,而在內(nèi)水壓力單獨作用下噴層全斷面受壓,最大值約為0.12 MPa。

由于高溫巖體和噴層之間的熱傳導作用,致使引水隧洞運行期噴層溫度較初期施工溫度略有升高,因此噴層在高溫作用下發(fā)生熱漲,全斷面承受線性分布的環(huán)向壓應力(圖10),最大值位于噴層外測,約1.0 MPa;而內(nèi)水壓力和耦合約束應力對噴層環(huán)向應力的貢獻均近似呈均勻分布,其值分別為0.60和-0.50 MPa。而自生溫度應力分布規(guī)律基本和襯砌受力相同,沿厚度方向呈線性減小,由拉應力轉化為壓應力。

圖9 噴層徑向應力分布曲線Fig.9 Radial stresses distribution of spray layer

圖10 噴層環(huán)向應力分布曲線Fig.10 Hoop stresses distribution of spray layer

3.4 圍巖變溫區(qū)受力特性

引水隧洞圍巖應力分布規(guī)律與支護結構的受力特性存在較大差異,呈現(xiàn)出明顯的非線性。溫度荷載和內(nèi)水壓力耦合作用下圍巖變溫區(qū)徑向全斷面受拉,且沿半徑方向先增大后減小,最大值出現(xiàn)在4.5 m處,其值約為0.60 MPa。自生溫度應力分布規(guī)律和耦合應力規(guī)律基本一致,耦合約束應力隨半徑增加而增大,最大值約為0.30 MPa,內(nèi)水壓力對圍巖徑向受力貢獻較小。

耦合作用下引水隧洞圍巖變溫區(qū)環(huán)向應力沿深度方向由拉應力轉化為壓應力,轉折點位于7.2 m處,圍巖內(nèi)壁最大環(huán)向拉應力約為2.3 MPa,自生溫度應力分布規(guī)律基本和耦合應力相同,最大值約為1.6 MPa,約占耦合應力的70%。耦合約束應力近似呈均勻分布,內(nèi)水壓力對圍巖環(huán)向應力影響很小。

圖11 圍巖變溫區(qū)徑向應力分布曲線Fig.11 Radial stresses of temperature variation zone of surrounding rock

圖12 圍巖變溫區(qū)環(huán)向應力分布曲線Fig.12 Hoop stresses of temperature variation zone of surrounding rock

4 襯砌伸縮縫間距設計及裂縫寬度驗算

由文獻[18]可知最大伸縮縫間距可表示為:

根據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度場分析結果可知,隧洞最大溫降約為14.68℃,將相關熱力學參數(shù)代入式(7),可得最大伸縮縫間距Lmax=12.2 m,而襯砌最小伸縮縫間距Lmin=Lmax/2=6.1 m,則伸縮縫間距設計值可表示為:

根據(jù)設計施工等要求進一步取[L]=9.0 m,根據(jù)文獻[18]中的相關計算公式可得裂縫開展寬度為-0.90 mm,表明伸縮縫間距為9.0 m時,運行期過水工況下襯砌不會產(chǎn)生收縮裂縫。

5 結 語

本文以布侖口-公格爾水電站高地溫引水發(fā)電隧洞為依托,首次采用解析方法研究了實際工程在高地溫條件下引水隧洞圍巖及支護結構的溫度分布規(guī)律和受力特性,得到了以下幾點認識:

(1)瞬態(tài)法所得穩(wěn)定溫度場與穩(wěn)態(tài)分析結果吻合較好,導熱系數(shù)對溫度場的影響較對流換熱系數(shù)更加明顯,過水瞬時襯砌內(nèi)邊界降溫劇烈,引水隧洞溫度場調(diào)整穩(wěn)定所需時長約為5個月。

(2)高溫有壓引水隧洞應力可分為自生溫度應力、約束溫度應力和內(nèi)水壓力產(chǎn)生的應力三部分,內(nèi)水壓力較小時,溫度應力占主導地位。本工程襯砌全斷面受拉,最大環(huán)向拉應力位于襯砌內(nèi)壁約為4.8 MPa,噴層受力較小,圍巖內(nèi)壁出現(xiàn)了約2.3 MPa的環(huán)向拉應力,且沿深度方向逐漸轉化為壓應力。支護結構受力近似呈線性分布,而圍巖受力則表現(xiàn)出明顯的非線性特性,為了改善支護結構的受力特性應盡量降低混凝土的初始澆筑溫度,并采取鋪設保溫材料或配筋等工程措施。

(3)布侖口-公格爾水電站高地溫引水發(fā)電隧洞襯砌伸縮縫間距為9.0 m時,運行期過水工況下不會產(chǎn)生縱向裂縫。

參 考 文 獻:

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Analysis of mechanical characteristics for high-temperature diversion tunnel of Bulunkou hydropower station

LIU Nai-fei1,LI Ning1,2,YU Chun-hai3,YAO Xian-chun1,LIU Jun-ping1
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China;2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering,Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;3.Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower,Urumqi 830000,China)

Xinjiang Bulunkou-Gongeer hydropower station is located in the heartland of West Kunlun Mountains. With the action of the old and new tectonic movement,there exists high temperature in the front section of the diversion tunnel(the measured temperature is about 105℃),which has great impacts upon construction progress and the durability of the supporting structure.An analytical method has been used to make studies of the temperature distribution and stress characteristics of the surrounding rocks and the supporting structure.Firstly, both the transient and steady methods are used in studying the temperature distribution.Furthermore,the stress characteristics of the surrounding rocks and the supporting structure are also investigated in consideration of the coupling effects of temperature and stresses.Lastly,the spacing of the contraction joints to the lining structure is designed in this paper.The research results show that the stresses of the supporting structure are characterized by near-linear distribution,but the stresses of the surrounding rocks have obvious non-linear characteristics during the diversion tunnel operation period.When the cold water flows through the diversion tunnel,the temperature in the inner wall plummets and the variation amplitude is about 60℃.

Bulunkou-Gongeer hydropower station;high temperature diversion tunnel;surrounding rock; supporting structure;temperature distribution;mechanical characteristic

TU 94

A

1009-640X(2014)04-0014-08

2013-12-28

國家自然科學基金資助項目(51179153);西安理工大學優(yōu)博創(chuàng)新基金資助項目(207-002J1306)

劉乃飛(1985-),男,陜西榆林人,博士研究生,主要從事隧道工程、邊坡工程、水熱力三場耦合方面的研究。E-mail:liunaifei1985@126.com