貊祖國

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著隧洞、電站廠房和地下洞室開采深度的增加，比較棘手的技術(shù)難題將越來越突出，比如高地壓、高地溫和高滲透壓等問題。高地溫作為水工地下工程的不利條件，必將嚴重影響工程的施工進度和結(jié)構(gòu)安全。鑒于此，高地溫條件也成為了當今學者的研究熱點。

杜守繼等[1]通過試驗手段對高溫環(huán)境下花崗巖和砂巖的力學特性進行了研究，取得了許多有意義的研究成果。曾春雷[2]利用ANSYS有限元軟件對高溫、高壓和滲流耦合作用下軟巖的力學特性進行了研究。楊德源等[3]采用解析方法，求解了一維非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程，得到任意時刻及任意深度的圍巖溫度。張樹光[4]通過研究得出不考慮滲流作用下，地下洞室圍巖溫度場呈對稱特性，通風條件并不會改變其對稱分布特性，考慮滲流作用會影響溫度場對稱特性。

以上述為代表的學者們對高地溫條件下相關內(nèi)容做了卓有成效的研究，推動了高地溫條件下水工隧洞圍巖熱力學特性的研究進展。對高地溫隧洞的研究，現(xiàn)場試驗是最直接、最具代表性的。本文依托于新疆某水電站，采用現(xiàn)場試驗的方法對高地溫引水隧洞試驗洞進行溫度監(jiān)測。擬根據(jù)試驗洞不同工況下的溫度場特性表征引水隧洞的溫度場變化特征。

1 工程概況

新疆某水利工程位于克州昆侖山腹地，在強烈的新老構(gòu)造運動和外應力作用下，形成多種地貌類型，具有明顯的分帶性。該水利樞紐為大（2）型二等工程，具有灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益。工程引水隧洞前段出現(xiàn)高地溫難題。根據(jù)現(xiàn)場開挖實測，引水發(fā)電隧洞圍巖鉆孔內(nèi)溫度最值高達105℃，該高地溫在國內(nèi)外均屬罕見。經(jīng)相關研究[5]可知，該引水隧洞高地溫的產(chǎn)生是地質(zhì)不均一造成的。石英片巖夾石墨片巖這一特殊巖質(zhì)使得巖石導熱率高于一般情況，因此，地層深部的熱量可傳至隧洞，使得該引水隧洞工程溫度異常。

2 試驗布設

2.1 試驗方案

試驗洞選于引水隧洞“發(fā)4+530 m、4+550 m”樁號處，位于引水主洞內(nèi)部，朝向引水隧洞圍巖垂向開挖，試驗洞與引水主洞洞型相同，均為圓形洞，試驗洞徑3 m，長度為11 m。噴錨支護分為3段，其中靠近洞孔側(cè)的前3 m采用聚酯纖維混凝土噴層支護，中間3 m采用鋼纖維混凝土噴層支護，后3 m采用混凝土噴層掛網(wǎng)，噴層厚度均為15 cm，錨桿為梅花形間隔布置，長度為1.5 m。

2.2 監(jiān)測試驗布設

現(xiàn)場鉆孔溫度數(shù)據(jù)顯示圍巖溫度最高可達105℃，故現(xiàn)場溫度監(jiān)測試驗需選擇具有耐高溫、防水特性的裝置，采用AD590型溫度傳感器，同時做防水處理。溫度采集使用探頭裝置，各監(jiān)測點均設置4個測溫探頭，分別位于圍巖0.50 m、1.50 m、2.50 m、3.50 m深度處。根據(jù)試驗洞方案中襯砌的布置特點，將測溫設備布設于各襯砌段中部腰拱部位，掛網(wǎng)噴層襯砌溫度監(jiān)測儀器布設于掌子面中心，見圖1。

圖1 監(jiān)測試驗布設圖

3 試驗結(jié)果及分析

試驗洞溫度監(jiān)測分為施工期和通水運行期。圖中點1#、2#、3#、4#分別為位于圍巖 3.50 m、2.50 m、1.50 m、0.50 m 深度處的測溫裝置所在的位置。

3.1 施工期

通過對圖2分析可得圍巖施工期溫度的變化特點：

（1）相同監(jiān)測點的4個測溫探頭所測得圍巖溫度變化的趨勢大致相同，即圍巖內(nèi)部各點在溫度邊界條件變化的影響下，溫度的改變趨勢相同，具有同升同降特征。

（2）圍巖內(nèi)部各點溫度呈現(xiàn)一定規(guī)律，即圍巖內(nèi)部各點的溫度沿徑向呈現(xiàn)遞增特征。

（3）圍巖內(nèi)部各點溫度自洞口向深部沿試驗洞軸線逐漸升高。

為分析施工期各施工步驟對圍巖溫度場的影響，對鋼纖維段溫度變化曲線進行分析，見圖3。根據(jù)施工期施工步驟及圍巖溫度變化特征，可將其分4個階段：開挖降溫期、噴層施做升溫期、溫度平穩(wěn)期、溫度降低期。開挖降溫期內(nèi)，襯砌未施做，在通風散熱的作用下圍巖溫度逐步降低；噴層施做升溫期內(nèi)，噴層襯砌的施做使得圍巖散熱邊界改變，圍巖溫度逐漸升高；溫度平穩(wěn)期內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)施做完成后，圍巖溫度達到暫時平衡；溫度降低期內(nèi)，加強了洞內(nèi)的通風，在溫度對流邊界改變的影響之下，圍巖溫度下降。

圖3 施工期鋼纖維噴層段溫度變化圖

3.2 通水運行期

圖4 通水運行期圍巖溫度變化圖

由圖4通水運行期圍巖溫度變化圖可以看出：

（1）通水運行7天內(nèi)，試驗洞4個各測點監(jiān)測的圍巖溫度變化特征相似；

（2）通水運行后，在水溫的影響下，圍巖溫度出現(xiàn)驟降，圍巖溫度場在3天后趨于穩(wěn)定；

（3）因毛洞段未施做襯砌，在滲水作用下該段圍巖溫度較其余部分低。

4 討論

（1）溫度場變化特性

高地溫條件下，圍巖溫度場受施工工序、通風條件、運行通水條件等影響較為顯著。

在施工期內(nèi)，隧洞在通風作用下，以對流換熱為主要導熱方式，圍巖溫度逐漸降低。在工序影響下，圍巖溫度場出現(xiàn)4個較為典型的階段，各個階段溫度場動態(tài)規(guī)律波動。施工期各監(jiān)測點溫度值受邊界條件影響下變化趨勢相似，具有同升同降特點。根據(jù)實測數(shù)據(jù)可分析出，圍巖溫度場在洞軸線方向上呈由洞口向深部逐漸上升的規(guī)律。

運行通水工況下，由于水溫較低，使得圍巖溫度場出現(xiàn)驟變，圍巖各點溫度驟降，三天后趨于平穩(wěn)。

（2）溫度變化機理分析

隧洞圍巖溫度場變化特征取決于其初始邊界條件及邊界條件的變化。高地溫條件下，未開挖巖體溫度初始條件可視為均一條件。受隧洞開挖影響，洞周巖體出現(xiàn)臨空面，在人為通風條件下，圍巖主要以對流換熱方式向空氣導熱，其導熱情況受風速、風溫、邊界平整程度等影響。對流換熱使得洞壁巖體溫度下降后，其與巖體內(nèi)部將出現(xiàn)溫差。圍巖內(nèi)部將以熱傳導的形式進行熱量傳遞。進一步地，隧洞圍巖溫度場將不斷發(fā)生變化，在宏觀上表現(xiàn)為圍巖溫度場的動態(tài)變化。

施做襯砌后，襯砌結(jié)構(gòu)覆蓋了圍巖原有對流換熱邊界。襯砌結(jié)構(gòu)初始溫度場逐步改變而引起的滯后效應、水泥水化熱、混凝土導熱系數(shù)小等因素使得圍巖溫度出現(xiàn)回升。

通水水溫較低，水與襯砌之間對流換熱系數(shù)較大。此時，通水后洞壁圍巖溫度驟降，其內(nèi)部大溫差促使熱傳導效應增強，宏觀上表現(xiàn)為圍巖溫度場迅速變化。

5 結(jié)論

本文依托新疆某水電站，采用現(xiàn)場試驗的方法，研究高地溫引水隧洞的溫度場特性，得到以下結(jié)論：

（1）隧洞溫度場分布特性為：高地溫條件下，圍巖溫度場受施工工序、通風條件、運行通水條件等影響較為顯著。

（2）針對高地溫地下工程，可通過合理控制施工進度、通風降溫、保溫復合襯砌結(jié)構(gòu)等措施降低圍巖及混凝土襯砌受溫度應力的影響。