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        齊熱電站高地溫引水隧洞熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

        2022-09-01 08:55:38王保東于可忱
        中國(guó)水運(yùn) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:圍巖混凝土結(jié)構(gòu)

        王保東,于可忱

        (中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

        隨著我國(guó)西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,大量工程建設(shè)在新疆山地高原地區(qū)展開,齊熱哈塔爾水電站作為其中水利水電工程建設(shè)的標(biāo)志性項(xiàng)目,能有效緩解喀什及南疆地區(qū)供電緊張狀況,促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,顯著提高人民生活水平。

        齊熱水電工程引水發(fā)電隧洞長(zhǎng)15.64km,隧洞最大埋深1720m,洞徑4.7m,樁號(hào)6+900~10+990 與樁號(hào)Y7+010~Y10+355 區(qū)間處于高地溫洞段,爆破后掌子面巖石表面實(shí)測(cè)溫度最高達(dá)到119℃,并伴有高壓高溫(147℃)氣體噴出,隧洞空氣溫度超過(guò)60℃。趙國(guó)斌等認(rèn)為該地區(qū)具有較好的熱流背景值,且?guī)r體完整,裂隙不發(fā)育使得地下水循環(huán)較差,能形成較好的儲(chǔ)熱體造成高地?zé)岈F(xiàn)象。由于隧道埋深較大,裸洞情況下高地應(yīng)力多造成巖爆現(xiàn)象,使得洞壁巖石剝落、掉塊,影響工程安全。運(yùn)行期間,隧洞過(guò)水時(shí)溫度較低,圍巖在溫度荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,使原來(lái)發(fā)生巖爆經(jīng)應(yīng)力重分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的巖體再次失穩(wěn)、剝落。

        本文基于齊熱水電工程引水發(fā)電隧洞工程實(shí)踐,采用有限元分析軟件,考慮高地溫隧道襯砌工程的熱-結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系,探討了襯砌結(jié)構(gòu)在溫度場(chǎng)影響下的應(yīng)力演化,并進(jìn)行相關(guān)配筋計(jì)算分析,為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考,具有理論意義和實(shí)際價(jià)值。

        1 模型建立

        1.1 模型參數(shù)設(shè)定

        針對(duì)齊熱水電站引水隧洞穿越高地溫、高地應(yīng)力地層現(xiàn)狀,建立ANSYS 有限元模型,模型基本假定如下:

        (1)假定圍巖為均質(zhì)的各向同性巖體;

        (2)假定混凝土襯砌之前,圍巖地應(yīng)力已經(jīng)充分釋放。

        計(jì)算模型見圖1,為避免周邊圍巖約束對(duì)隧洞計(jì)算結(jié)果的影響,隧洞四周可取5 倍洞徑以上,左右兩側(cè)約束水平位移,上下兩側(cè)約束垂直位移。

        圖1 隧道模型及襯砌結(jié)構(gòu)

        隧洞高溫洞段主要以Ⅲ類圍巖為主,隧洞開挖斷面為圓形,直徑590cm,開挖后噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫隔熱材料,厚度10cm,后進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌支護(hù),襯砌厚度50cm。隧道圍巖巖體主要物理力學(xué)參數(shù)值見表1。

        表1 隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

        1.2 工況設(shè)計(jì)

        設(shè)定圍巖外邊界溫度為90℃,同時(shí)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋計(jì)算,設(shè)計(jì)如下:

        (1)不噴涂隔熱材料:隧洞開挖后持續(xù)通風(fēng)30 天,洞內(nèi)空氣溫度降低至45℃,后進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)澆筑,30天后進(jìn)行隧洞通水,水溫10℃;

        (2)噴涂隔熱材料:隧洞開挖后噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫10cm,持續(xù)通風(fēng)30 天,洞內(nèi)空氣溫度降低至25℃,后進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)澆筑,30 天后進(jìn)行隧洞通水,水溫10℃。

        2 模擬結(jié)果與分析

        2.1 襯砌應(yīng)力演化及分析

        通水運(yùn)行后隧洞內(nèi)襯砌應(yīng)力演化分布如圖2,在不噴射隔熱涂層條件下襯砌應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸減小,環(huán)向分布均勻。通水運(yùn)行使襯砌結(jié)構(gòu)表面溫度驟降,襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的溫降荷載,全斷面產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力;通水運(yùn)行30 天后,水流對(duì)隧道襯砌層的影響逐漸深入且穩(wěn)定,溫度卸載引起的襯砌應(yīng)力向外擴(kuò)展顯著;襯砌結(jié)構(gòu)整體運(yùn)行期間全斷面環(huán)向應(yīng)力超過(guò)混凝土溫度應(yīng)力允許值1.587MPa,嚴(yán)重影響工程安全。噴射隔熱涂層后隧道溫度逐漸降低并穩(wěn)定,通水后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度梯度較小,溫度卸載引起的襯砌應(yīng)力也較?。煌ㄋ\(yùn)行1 天后襯砌結(jié)構(gòu)頂部和底部的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)局部拉應(yīng)力集中,超過(guò)混凝土溫度應(yīng)力允許值1.587MPa 的截面高度不足襯砌結(jié)構(gòu)高度的十分之一,不影響襯砌結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定;運(yùn)行30 天后,水流溫度影響半徑增加,襯砌結(jié)構(gòu)溫度差異進(jìn)一步減小,降溫卸載造成的襯砌應(yīng)力最小。

        圖2 通水后隧道襯砌應(yīng)力分布圖

        襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)在通水運(yùn)行前5 天受溫度卸載影響較大,襯砌應(yīng)力急劇變化,如圖3,不噴隔熱涂層條件下襯砌外側(cè)應(yīng)力增至6.04MPa,占運(yùn)行前30 天應(yīng)力增量的93%,后期運(yùn)行期間,襯砌結(jié)構(gòu)溫度基本穩(wěn)定,應(yīng)力變化較小。通水運(yùn)行之初襯砌內(nèi)側(cè)溫度梯度及降溫卸載應(yīng)力最大,運(yùn)行30 天后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)溫度梯度與應(yīng)力逐漸穩(wěn)定;襯砌結(jié)構(gòu)外層溫度梯度和卸載應(yīng)力隨通水運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的增加而升高,不噴射隔熱涂層條件外側(cè)下襯砌應(yīng)力逐漸由3.41MPa 增加至6.49MPa;噴射隔熱涂層將會(huì)顯著降低隧道溫度,使通水前后溫度梯度與卸載應(yīng)力較小,如噴射隔熱涂層的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)首次通水運(yùn)行時(shí)應(yīng)力僅2.23MPa,是不噴射條件下的1/5。

        圖3 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外部應(yīng)力演化

        不同通水運(yùn)行期襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力演化如圖4,不噴射隔熱涂層時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力為10.7MPa,噴射隔熱涂層后襯砌結(jié)構(gòu)得最大主應(yīng)力僅2.23MPa,且在通水30 天后降低至0.74MPa。巖體應(yīng)力差越大,產(chǎn)生的剪切應(yīng)力越大,越容易產(chǎn)生變形破壞。不噴射隔熱涂層時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力差高達(dá)11.6MPa,而噴射后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力差僅3.6MPa,是前者的1/3。

        圖4 襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力演化

        2.2 襯砌配筋及分析

        襯砌結(jié)構(gòu)在未噴射隔熱涂層條件下通水運(yùn)行30天后總應(yīng)力發(fā)展至最大,超過(guò)混凝土溫度應(yīng)力允許1.587MPa,襯砌結(jié)構(gòu)全斷面環(huán)向受拉,故需要配置大量鋼筋以保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全。在噴射隔熱涂層條件下通水運(yùn)行1 天后,襯砌結(jié)構(gòu)總應(yīng)力最大,然而襯砌結(jié)構(gòu)洞底和洞腰部位合力為負(fù)是壓力,即襯砌結(jié)構(gòu)整體處以壓應(yīng)力狀態(tài),且壓應(yīng)力相對(duì)較小,遠(yuǎn)未達(dá)到混凝土的破壞條件,按照構(gòu)造配筋即能滿足襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

        隧道襯砌結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算見表2,在未噴射隔熱涂層條件下最大合力達(dá)8673.5KN,按鋼筋300MPa 的抗拉強(qiáng)度及1.2 的安全系數(shù)計(jì)算,需配置10φ36+10φ32 才能保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全,考慮到工程經(jīng)濟(jì)性和施工效率,是不可行的。噴射隔熱涂層后能較好的控制隧洞溫度,使得襯砌結(jié)構(gòu)降溫卸載應(yīng)力較小,最大合力僅為89.6KN,且為環(huán)向受壓,均在混凝土溫度應(yīng)力允許值以內(nèi),構(gòu)造配筋即可滿足設(shè)計(jì)要求,既保證工程安全,又經(jīng)濟(jì)高效。

        表2 引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算表

        3 結(jié)論

        本文基于齊熱水電工程,運(yùn)用有限元模擬進(jìn)行引水隧洞襯砌工程的熱-結(jié)構(gòu)耦合,研究結(jié)論如下:

        隔熱涂層能極大改善隧洞內(nèi)的高地溫現(xiàn)象,使襯砌結(jié)構(gòu)在通水運(yùn)行期間的降溫卸載效應(yīng)減弱,通水運(yùn)行30 天內(nèi),最大襯砌主應(yīng)力逐漸由2.23MPa 降低至0.74MPa,僅為未噴涂前的1/5。

        高地溫圍巖中,不噴涂隔熱材料的襯砌結(jié)構(gòu)在通水運(yùn)行期間產(chǎn)生較大的環(huán)向應(yīng)力,襯砌結(jié)構(gòu)全斷面受拉且超過(guò)混凝土應(yīng)力允許值1.587MPa,不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;噴涂后襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力顯著減小,在結(jié)構(gòu)建設(shè)要求的安全范圍內(nèi)。

        隧洞襯砌結(jié)構(gòu)在未噴射隔熱涂層條件下需要進(jìn)行大量配筋才能滿足設(shè)計(jì)要求,不符合工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)高效原則;噴射隔熱涂層后僅需構(gòu)造配筋即可滿足工程設(shè)計(jì)要求,是更合理可行的施工方案。

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