(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

隨著經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，一次能源造成的環(huán)境污染問題已引起社會廣泛關注。而大力發(fā)展水電等可再生能源就成為解決我國能源瓶頸、改善生態(tài)環(huán)境的重要手段。其中，水電站建設離不開輸水隧洞等地下洞室工程，由于地質條件不同，部分地下洞室工程建設面臨著高巖溫問題，不僅造成施工困難，同時也會對支護結構造成一定的不利影響。因此，對圍巖與支護結構熱力學參數(shù)進行敏感性分析研究，對提高高巖溫條件下的輸水隧洞支護結構穩(wěn)定性具有重要意義。

1 工程概況

遼寧省觀音閣水庫輸水工程位于遼寧省中部重要河流太子河的干流上，主要是將觀音閣水庫的富余水量經(jīng)過輸水隧洞和管線以自流的方式引入下游本溪市的大型輸水工程[1]。工程的主要任務是保障本溪生產(chǎn)生活用水安全，提高供水水質，保障本溪市主要工業(yè)企業(yè)的用水，為本溪市未來的經(jīng)濟發(fā)展和居民生活提供安全可靠的水源。觀音閣水庫輸水工程取水設計規(guī)模為125萬m3/d，年平均取水量約3.74億m3[2]。該工程的輸水線路總長為91.30km，包括41.50km的輸水隧洞以及49.8km的輸水管線。其中，輸水隧洞段為城門洞形斷面，尺寸3.2m×3.5m，工程投資14.13億元。輸水隧洞采用新奧法施工[3]。受當?shù)靥厥夤こ痰刭|環(huán)境的影響，輸水隧洞的部分施工段存在高巖溫情況。例如，輸水隧洞三標段的部分洞段的圍巖溫度較高，平均溫度在28℃以上，最高巖溫達到82℃，洞內(nèi)環(huán)境溫度基本在50℃以上，且氧氣比較缺乏。顯然，高巖溫會對開挖過程中的圍巖支護結構造成一定的影響，并且溫度越高，這種影響就愈加嚴重。因此，對隧洞支護結構進行熱力學敏感性分析，對隧洞的設計和施工具有重要的參考價值。

2 有限元計算模型的構建

2.1 計算模型

在有限元模型研究中，可以將地下洞室結構視為無限域問題。但是，選擇合適的研究范圍可以在保證計算精度的前提下減少計算量，達到省時省力的作用。根據(jù)觀音閣水庫輸水工程的設計資料，計算過程中隧洞襯砌模型為圓拱直墻洞型，其中邊墻與拱頂?shù)暮穸葹?.05m，隧洞底板的厚度為0.50m。結合相關研究成果，對輸水隧洞在6D范圍內(nèi)進行研究，即可達到應力和位移計算的精度要求。因此，本文結合大伙房輸水工程的第三標段的實際情況，選取36m×40m的計算區(qū)域，采用ANSYS大型通用有限元軟件，利用序貫耦合法，對觀音閣水庫輸水工程高巖溫段輸水隧洞圍巖與支護結構熱力學參數(shù)敏感性進行分析研究[4]。

2.2 邊界條件

考慮選擇的模型大小并沒有達到頂部，模型本身和外界環(huán)境之間的熱交換作用可忽略不計，因此，將模型的上邊界視為絕熱邊界。結合相關研究成果，在溫度場計算過程中，輸水隧洞襯砌混凝土的計算初始溫度為澆筑溫度，圍巖的初始溫度為圍巖初溫，鑒于研究區(qū)段的圍巖溫度情況，圍巖初溫取80℃[5]。

在計算過程中，由于隧洞襯砌段的對稱面為絕熱邊界，采用第二類熱學邊界條件；在施工期邊墻未澆筑之前，隧洞底板和邊墻以及邊墻和圍巖之間的接觸面可以通過對流散熱，采用第三類熱學邊界條件；在施工結束后，邊墻、拱頂和底板的混凝土單元均可以通過空氣對流散熱，采用低三類邊界條件[6]。鑒于上述分析，在進行耦合場分析過程中，對模型分別施加熱分析邊界條件和靜力分析邊界條件。

2.3 計算參數(shù)

結合該工程的相關地質資料以及相關工程的工程經(jīng)驗，計算確定襯砌混凝土和圍巖熱力學相關參數(shù)(見表1[7])。

表1 計算參數(shù)

2.4 試驗方案

根據(jù)本文研究目的，將輸水隧洞內(nèi)部的支護結構溫度以及支護結構的拱頂、拱肩以及關鍵部位的環(huán)向應力大小對熱力學參數(shù)的敏感性作為研究對象[8]。其中，熱力學參數(shù)選擇的是輸水隧洞支護結構的線膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)、比熱以及對流系數(shù)。在具體的數(shù)值模擬實驗過程中，保持其余參數(shù)值不變，對其中某一參數(shù)值的影響進行研究。

3 計算結果分析

3.1 線膨脹系數(shù)的影響

利用本文構建的模型對輸水隧洞支護結構在不同線膨脹系數(shù)條件下的支護結構噴層溫度和應力的大小進行數(shù)值模擬計算，結果見圖1和圖2。由計算結果可知，支護結構噴層的溫度隨著線膨脹系數(shù)的改變并無明顯變化，說明這一參數(shù)不會對噴層溫度產(chǎn)生明顯影響。支護結構噴層的環(huán)向應力隨著線膨脹系數(shù)的增大而增大，并呈現(xiàn)出明顯的線性關系。其中，拱頂部位全部表現(xiàn)為拉應力，而拱腰和拱肩則表現(xiàn)出由壓應力逐步轉變?yōu)槔瓚Φ奶卣?。究其原因，主要是支護結構線膨脹系數(shù)的增大會導致噴層內(nèi)部張力的明顯增加。由此可見，較大的線膨脹系數(shù)不利于支護結構的穩(wěn)定，因此，在滿足相關要求的前提下，高巖溫輸水隧洞施工中應該盡量選取線膨脹系數(shù)小的施工材料。

圖1 噴層溫度隨線膨脹系數(shù)的變化曲線

圖2 噴層環(huán)向應力隨線膨脹系數(shù)的變化曲線

3.2 導熱系數(shù)的影響

利用模型對輸水隧洞支護結構在不同導熱系數(shù)條件下的支護結構噴層溫度和應力的大小進行數(shù)值模擬計算，結果見圖3和圖4。由計算結果可知，支護結構噴層的導熱系數(shù)會影響噴層溫度，兩者之間呈近似拋物線關系，但是隨著支護結構噴層導熱系數(shù)的增大，噴層的外側溫度有一定增大，而內(nèi)側溫度降低比較明顯。支護結構噴層的導熱系數(shù)也會影響噴層的環(huán)向應力，兩者之間的變化也呈近似拋物線關系，具體而言，隨著噴層導熱系數(shù)的增大，支護結構各個部位均表現(xiàn)為拉應力，并且不斷減小。究其原因，主要是導熱系數(shù)的增大有利于溫度應力的釋放，進而造成總應力的改變?？傊?，較大的導熱系數(shù)有利于支護結構的穩(wěn)定，在滿足相關要求的前提下，高巖溫輸水隧洞施工中應該盡量選取導熱系數(shù)大的施工材料。

圖3 噴層溫度隨導熱系數(shù)的變化曲線

3.3 比熱的影響

利用模型對輸水隧洞支護結構在不同比熱條件下的支護結構噴層溫度和應力的大小進行數(shù)值模擬計算，結果見圖5和圖6。由計算結果可知，支護結構噴層的比熱不會對噴層溫度和環(huán)向應力造成明顯影響。究其原因，主要是材料比熱的大小對自身的影響極為有限。

圖5 噴層溫度隨比熱的變化曲線

圖6 噴層環(huán)向應力隨比熱的變化曲線

3.4 對流換熱系數(shù)的影響

利用模型對輸水隧洞支護結構在不同對流系數(shù)條件下的支護結構噴層溫度和應力的大小進行數(shù)值模擬計算，結果見圖7和圖8。由計算結果可知，支護結構噴層的對流換熱系數(shù)會影響噴層溫度和環(huán)向應力，并且均呈現(xiàn)出近似的對數(shù)函數(shù)關系。具體而言，隨著噴層對流換熱系數(shù)的增大，噴層溫度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，而支護結構各個部位均表現(xiàn)為拉應力，并且不斷增加。因此，在滿足相關要求的前提下，高巖溫輸水隧洞施工中應將對流換熱系數(shù)限制在一個比較合理的范圍內(nèi)。

圖7 噴層溫度隨對流換熱系數(shù)的變化曲線

圖8 噴層環(huán)向應力隨對流換熱系數(shù)的變化曲線

3.5 敏感度計算結果與分析

根據(jù)以上計算成果，利用敏感度計算公式，獲得輸水隧洞支護結構噴層的溫度和應力與各個熱力學參數(shù)之間的具體函數(shù)關系(見表2)。由表2可知，噴層溫度和環(huán)向應力對不同熱力學參數(shù)的敏感度明顯不同。根據(jù)敏感度的定義，敏感度小于0.06的參數(shù)為不敏感參數(shù)，因此，噴層比熱為不敏感參數(shù)，其余三個參數(shù)為敏感參數(shù)，并且線膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)的影響更為顯著。在施工過程中應該加強噴層的設計和施工，盡量選用線膨脹系數(shù)小、導熱系數(shù)高的材料。

表2 敏感度計算結果

4 結 論

本文以遼寧省觀音閣輸水工程的輸水隧洞高巖溫施工段為工程依托，利用數(shù)值模擬的方法對輸水隧洞支護結構熱力學參數(shù)敏感性進行了深入分析，并獲得如下主要結論：支護結構噴層的線膨脹系數(shù)不會對噴層溫度產(chǎn)生明顯影響；支護結構噴層的環(huán)向應力隨著線膨脹系數(shù)的增大而增大，并呈現(xiàn)出明顯的線性關系；支護結構噴層的導熱系數(shù)會影響噴層溫度與環(huán)向應力，并且均呈近似拋物線關系；支護結構噴層的比熱不會對噴層溫度和環(huán)向應力造成明顯影響；支護結構噴層的對流換熱系數(shù)會影響噴層溫度和環(huán)向應力，并且均呈現(xiàn)出近似的對數(shù)函數(shù)關系；根據(jù)敏感度計算結果，噴層比熱為不敏感參數(shù)，其余三個參數(shù)為敏感參數(shù)，并且線膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)的影響更為顯著。因此，在施工過程中應該加強噴層的設計和施工，盡量選用線膨脹系數(shù)小、導熱系數(shù)高的材料。