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        高海拔寒區(qū)隧道排水結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)數(shù)值分析

        2019-07-10 02:29:38陳志杰任廣麗閆世豪李哲
        中國(guó)公路 2019年12期
        關(guān)鍵詞:水洞排水溝保溫層

        陳志杰,任廣麗,閆世豪,李哲

        (1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100089;2.空間信息應(yīng)用與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,北京 100089;3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

        近年來(lái),我國(guó)在高寒地區(qū)修建了大量的寒區(qū)隧道,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),由于隧址區(qū)域天氣條件惡劣并且隧道排水設(shè)施設(shè)置不合理,約80%的寒區(qū)隧道有不同程度的凍害問(wèn)題發(fā)生,影響隧道的正常運(yùn)營(yíng)。七道梁隧道位于甘肅省通往四川省的交通要道上,由于排水溝發(fā)生凍結(jié)導(dǎo)致隧道襯砌背后圍巖積水,地下水難以排出,隧道襯砌背后圍巖凍脹,隧道襯砌混凝土出現(xiàn)開裂、剝落和滲漏水。另外,東北地區(qū)的興安嶺隧道、新疆的玉希莫勒蓋隧道等,由于隧址區(qū)域冬季溫度過(guò)低,在建成投入運(yùn)營(yíng)后,隧道排水結(jié)構(gòu)及隧道襯砌結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)一定程度的凍結(jié),不僅增加后期隧道維護(hù)及運(yùn)營(yíng)成本,而且影響隧道的使用。因此,必須合理地布設(shè)隧道排水結(jié)構(gòu),并采取相應(yīng)的保溫防凍措施,避免隧道排水結(jié)構(gòu)發(fā)生凍結(jié),確保冬季排水通暢。

        本文以紅土山隧道為依托,采用ANSYS Fluent模擬了不同排水工況下隧道圍巖的溫度場(chǎng)變化,并提出了具體的排水措施。研究結(jié)果為在建及將建的寒區(qū)隧道提供了技術(shù)支持,有利于減少隧道凍害問(wèn)題的發(fā)生。

        一、隧道溫度場(chǎng)有限元模型

        (一)初始及邊界條件

        紅土山隧道位于內(nèi)陸高原腹地,海拔高且氣溫低,根據(jù)隧址區(qū)地表溫度變化,左右邊界設(shè)為絕熱邊界。由隧道所處地區(qū)的地理位置等條件,通過(guò)計(jì)算確定其地溫梯度為2℃/100m,圍巖穩(wěn)定溫度取8℃。隧道洞內(nèi)施加的溫度荷載為隧道內(nèi)實(shí)測(cè)的溫度值,隧道洞內(nèi)溫度通常用正弦函數(shù)進(jìn)行擬合,擬合公式為:

        式中,T為溫度,℃;t為時(shí)間,d;Ta為年平均氣溫,℃;A為年氣溫振幅,℃。

        則洞口氣溫函數(shù)為:

        洞內(nèi)距隧道洞口500m氣溫函數(shù)為:

        洞內(nèi)距隧道洞口1500m氣溫函數(shù)為:

        (二)模型計(jì)算參數(shù)的選取

        本文主要針對(duì)隧道下部圍巖溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,在數(shù)值計(jì)算中要考慮仰拱混凝土和圍巖的熱學(xué)性質(zhì),由工程地質(zhì)勘查報(bào)告可知,該隧道隧底圍巖以板巖為主,在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),混凝土及圍巖的熱學(xué)參數(shù)選取如表1所示。

        表1.混凝土及圍巖熱學(xué)參數(shù)

        隧道保溫材料選用聚氨酯泡沫板,經(jīng)過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試試驗(yàn),保溫材料的熱學(xué)參數(shù)如表2所示。

        表2.保溫材料熱學(xué)參數(shù)

        (三)模擬工況

        由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知,隧道最大凍結(jié)深度約為3m,凍結(jié)深度隨進(jìn)深的增加逐漸減小,在隧道進(jìn)深580m位置處,隧道下部圍巖凍結(jié)深度達(dá)到1.5m。因此,初步擬定采用3種排水結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行數(shù)值分析:

        方案1:設(shè)置中心排水溝,且中心排水溝埋設(shè)于路面下方2m位置處。暫定中心排水溝保溫措施布設(shè)方案如表3所示:

        表3.方案1中心排水溝保溫層厚度預(yù)設(shè)方案

        方案2:設(shè)置中心排水溝,且中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m位置處。暫定只需在隧道進(jìn)出口一定距離處采取保溫措施,保溫方案如表4所示。

        表4.方案2中心排水溝保溫層厚度預(yù)設(shè)方案

        方案3:設(shè)置防寒泄水洞,在進(jìn)出口各設(shè)置300m防寒泄水洞,隧道其余位置設(shè)置中心排水溝,中心排水溝埋設(shè)于路面下方2m處,防寒泄水洞埋深預(yù)設(shè)為4m。

        (四)計(jì)算模型

        根據(jù)紅土山隧道的地形地貌條件,為了縮短模型計(jì)算時(shí)間,確保隧道下部冷凍圍巖的計(jì)算結(jié)果能夠完整地反映隧道冷凍區(qū)域的真實(shí)情況。模型尺寸通常選取4~5倍的隧道尺寸,橫斷面尺寸選為50m×60m,平行于隧道軸線上方1000m。

        二、數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

        (一)中心排水溝埋深2m時(shí)的溫度場(chǎng)分析

        結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y料可知,地面最大凍結(jié)深度約為3m,當(dāng)中心排水溝(R=50cm)埋設(shè)于路面下方2m時(shí),且對(duì)中心排水溝采取保溫措施,洞口段0m~200m范圍內(nèi)設(shè)3cm厚保溫材料,200m~500m范圍內(nèi)設(shè)2cm厚保溫材料,驗(yàn)證其保溫效果,并運(yùn)用Fluent進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

        圖1和圖2分別為不同保溫條件下隧道不同進(jìn)深位置處的溫度分布特征云圖。對(duì)不同保溫條件時(shí)中心排水溝頂部溫度分布云圖中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,數(shù)據(jù)提取范圍為隧道進(jìn)深0m~500m范圍內(nèi),數(shù)據(jù)間隔25m,則溫度隨隧道進(jìn)深變化曲線如圖3所示。

        圖1.無(wú)保溫措施時(shí)不同進(jìn)深位置處溫度分布特征云圖

        圖2.方案1保溫條件下不同進(jìn)深位置處溫度分布特征云圖

        圖3.中心排水溝頂部溫度沿隧道進(jìn)深變化曲線

        隧道未采取保溫措施時(shí),隧道洞口處中心排水溝附近溫度值約為-2.1℃,水流溫度為負(fù)溫,極易引發(fā)凍結(jié),導(dǎo)致隧道凍害問(wèn)題發(fā)生;在距隧道兩端洞口0m~200m范圍內(nèi),中心排水溝周圍包裹3cm厚保溫層,在200m~500m范圍內(nèi)設(shè)2cm保溫層,可以有效地改善中心排水溝周圍的溫度場(chǎng)分布特征,將中心排水溝頂端溫度提升至0℃以上,中心排水溝均被正溫包圍,說(shuō)明保溫層布設(shè)方案能夠滿足隧道排水結(jié)構(gòu)的保溫防凍要求。

        (二)中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m時(shí)的溫度場(chǎng)分析

        當(dāng)中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m時(shí),且對(duì)中心排水溝采取保溫措施,洞口段0m~200m范圍內(nèi)設(shè)2cm厚保溫材料,200m~500m范圍內(nèi)設(shè)1cm厚保溫材料,驗(yàn)證其保溫效果。

        圖4為隧道不同進(jìn)深位置處的溫度分布特征云圖。中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m時(shí),且分段改變保溫厚度,提取數(shù)值計(jì)算結(jié)果,得到水溝頂端位置及保溫層內(nèi)壁溫度隨隧道進(jìn)深的變化曲線,如圖5所示。

        圖4.方案2保溫條件下不同進(jìn)深位置處溫度分布特征云圖

        圖5.中心深埋水溝周圍溫度隨進(jìn)深的變化曲線

        由圖4及圖5可知,隧道進(jìn)口斷面處,隧道中心深埋水溝頂端保溫層與溝壁交界處溫度約為2.9℃,保溫層外壁溫度值為0.4℃,溫度值均在0℃以上,且隨著進(jìn)深的增加,中心排水溝頂部位置處溫度值逐漸升高。中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m處,距洞口0m~200m范圍內(nèi)設(shè)置2cm厚聚氨酯保溫層、200m~500m范圍內(nèi)設(shè)置1cm厚聚氨酯保溫層,可以使中心排水溝周圍保持正溫分布,中心深埋水溝內(nèi)水流溫度大于0℃,保證水流不會(huì)發(fā)生凍結(jié),能順利排出至隧道外,防止出現(xiàn)隧道凍害問(wèn)題。

        (三)設(shè)置防寒泄水洞時(shí)的溫度場(chǎng)分析

        當(dāng)隧道中心排水溝埋置深度過(guò)大時(shí),容易造成隧道上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞,影響隧道的使用安全,故可以在洞口段設(shè)置防寒泄水洞代替中心深埋水溝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件暫定將防寒泄水洞埋置于隧道路面下方4m處,設(shè)置長(zhǎng)度為隧道進(jìn)出口段0m~300m范圍內(nèi),隧道其余位置設(shè)置中心排水溝,中心排水溝埋設(shè)于路面下方2m處,距隧道兩端洞口300m~500m范圍內(nèi),中心排水溝鋪設(shè)2cm厚聚氨酯保溫材料。

        圖6為設(shè)置防寒泄水洞時(shí),隧道不同進(jìn)深斷面處溫度分布特征云圖。提取隧道防寒泄水洞拱頂位置溫度值,可得出不同隧道進(jìn)深溫度變化曲線,如圖7所示。

        圖6.方案3保溫條件下不同進(jìn)深位置處溫度分布特征云圖

        圖7.防寒泄水洞拱頂位置處沿進(jìn)深溫度變化曲線

        由圖6和圖7可知,防寒泄水洞在洞口斷面處拱頂位置處溫度為1.2℃,隨著隧道進(jìn)深的增加,溫度值逐漸升高,升高幅度逐漸減小。防寒泄水洞周圍溫度保持在0℃以上,說(shuō)明防寒泄水洞埋設(shè)于路面下方4m時(shí)均被正溫包圍,泄水洞內(nèi)水流不會(huì)發(fā)生凍結(jié),且排水通暢,能夠滿足隧道排水需求。

        三、隧道排水結(jié)構(gòu)方案分析

        合理的布設(shè)隧道排水結(jié)構(gòu)并采取相應(yīng)的保溫防凍措施是確保隧道冬季排水通暢的關(guān)鍵。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,隧道排水結(jié)構(gòu)布設(shè)方案可分為設(shè)置中心深埋水溝和洞口段設(shè)置防寒泄水洞兩種。

        (一)設(shè)置中心深埋水溝

        根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知,隧道中心排水溝埋深為2m并設(shè)置聚氨酯保溫材料后,溫度場(chǎng)較之前發(fā)生較大變化,洞口斷面處中心排水溝頂端溫度值在1℃附近,隧道洞內(nèi)其他斷面位置處,中心排水溝周圍均被正溫包圍,說(shuō)明中心排水溝設(shè)置變厚度聚氨酯保溫材料可有效防止溝內(nèi)水流凍結(jié),起到了良好的保溫防凍效果。中心排水溝全長(zhǎng)范圍內(nèi)的溫度值也均大于0℃,保溫層內(nèi)外溫度差值約為2.9℃,中心排水溝長(zhǎng)期處于正溫區(qū)域,水流不會(huì)發(fā)生結(jié)冰,能保證中心排水溝內(nèi)水流正常排至隧道外。因此,建議中心排水溝具體布設(shè)為:

        (1) 將中心排水溝埋設(shè)于路面下方2m處,對(duì)隧道中心排水溝采取保溫措施,考慮到隧道洞口斷面位置處的溫度場(chǎng)分布特征,一定要設(shè)置安全溫度范圍,建議不同進(jìn)深位置處保溫層厚度布設(shè)方案如表5及圖8所示。

        表5.隧道仰拱或中心排水溝保溫層厚度布設(shè)表

        圖8.距隧道洞口不同位置處保溫層厚度設(shè)置

        (2) 將中心排水溝埋設(shè)于路面下方3m處,對(duì)隧道中心排水溝采取變厚度保溫措施,建議隧道不同位置處中心排水溝保溫層厚度如表6及圖9所示。

        表6.不同位置處保溫層厚度

        圖9.隧道排水溝不同位置處保溫層厚度設(shè)置

        (二)設(shè)置防寒泄水洞

        洞口段設(shè)置防寒泄水洞時(shí),防寒泄水洞一直被正溫包圍,水流不會(huì)發(fā)生凍結(jié),中心排水溝和縱向排水管內(nèi)的水流經(jīng)泄水管流入防寒泄水洞內(nèi),最終由防寒泄水洞將隧道內(nèi)水排至隧道外。建議在隧道進(jìn)出口至隧道進(jìn)深300m范圍內(nèi)設(shè)置防寒泄水洞,泄水洞埋深為4m,排水坡度設(shè)為3%,洞內(nèi)其他位置設(shè)置中心排水溝,中心排水溝埋深為2m,距隧道兩端洞口300m~500m,同時(shí)在中心排水溝鋪設(shè)2cm厚的聚氨酯保溫材料,布設(shè)位置示意圖如圖10所示。

        圖10.防寒泄水洞及中心排水溝布設(shè)位置圖

        四、結(jié)語(yǔ)

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù),本文借助數(shù)值模擬對(duì)不同排水結(jié)構(gòu)下的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:

        (1) 隧道中心排水溝埋深2m且未設(shè)保溫時(shí),隧道洞口位置處中心排水溝頂端溫度值為-1.9℃,且中心排水溝周圍為負(fù)溫分布,溫度較低,排水溝洞口段極易發(fā)生凍結(jié),造成中心排水溝堵塞,引起隧道凍害;中心排水溝分段變厚度設(shè)置聚氨酯保溫材料后,洞口斷面處中心排水溝頂端溫度值在1℃左右,可以有效避免中心排水溝內(nèi)水流出現(xiàn)凍結(jié)。

        (2) 隧道中心排水溝埋深3m且中心排水溝分段變厚度設(shè)保溫層時(shí),洞口斷面中心排水溝頂端保溫層內(nèi)外兩側(cè)溫度分別為0.4℃和2.9℃,滿足隧道排水結(jié)構(gòu)的保溫防凍要求。

        (3) 在隧道洞口段路面下方4m處設(shè)置防寒泄水洞代替中心深埋水溝時(shí),防寒泄水洞均被正溫包圍,其他位置設(shè)置中心排水溝,中心排水溝埋深為2m,可以滿足隧道排水要求。

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