布侖口水電站高溫引水發(fā)電隧洞受力特性研究

劉乃飛,李 寧,2,余春海,姚顯春,劉俊平

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所,陜西 西安 710048;2.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;3.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(xué) 巖土工程研究所,陜西 西安 710048;2.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;3.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(qiáng)烈的新老地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下引水發(fā)電隧洞前段存在高地溫現(xiàn)象(實(shí)測(cè)溫度105℃),嚴(yán)重影響隧洞施工和支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性。采用解析方法研究了該隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)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(chǔ)上研究了溫度和應(yīng)力耦合作用下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性,最后初步設(shè)計(jì)了襯砌伸縮縫間距。研究表明低溫冷水對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)影響顯著,過(guò)水瞬時(shí)圍巖內(nèi)壁溫度發(fā)生驟降(ΔT=60℃);運(yùn)行期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力近似呈線性分布,而圍巖應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu);溫度分布;受力特性

隨著西部大開(kāi)發(fā)的持續(xù)推進(jìn),許多關(guān)系國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)工程(如水利、交通和采礦工程)在環(huán)境惡劣、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高山峽谷展開(kāi),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(yīng)力、地震和泥石流等),嚴(yán)重影響工程的順利施工和安全運(yùn)行[1]。特別是對(duì)于水利水電工程建設(shè),隨著可利用水資源的不斷減少,為了尋求可開(kāi)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(guān)心的問(wèn)題之一是永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。常規(guī)受力條件下襯砌結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題,國(guó)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(yù)應(yīng)力襯砌和圍巖在各種應(yīng)力狀態(tài)下的分析方法,并應(yīng)用塑性強(qiáng)化理論分析了隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性[2-3]; D.Kolymbas等基于保角映射原理推導(dǎo)了地下水對(duì)圓形排水隧洞靜態(tài)穩(wěn)定評(píng)價(jià)公式[4];馮夏庭[5]、陳衛(wèi)忠[6]等對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。鄭治等對(duì)水工隧洞受力特性進(jìn)行了研究,指出現(xiàn)行水工隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的諸多不合理之處,并提出了水工隧洞襯砌按構(gòu)造配筋的設(shè)計(jì)思路[7];汪基偉等采用鋼筋混凝土有限單元法對(duì)隧洞襯砌的受力特性進(jìn)行了分析[8];張志強(qiáng)研究了頂部分布有軟弱夾層隧洞的圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性[9];侯靖等通過(guò)計(jì)算對(duì)比并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),討論了水工高壓隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)力和地下水的影響方面,對(duì)于高溫這一特殊的地質(zhì)情況卻鮮有涉及。早在19世紀(jì)后半葉巖土工作者就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了高地溫現(xiàn)象對(duì)工程的影響[14]。而我國(guó)關(guān)于高地溫研究方面的記錄是云南黑白水三級(jí)電站引水隧洞(1993年)[15]。目前國(guó)內(nèi)高地溫研究方面比較有代表性的就是西安理工大學(xué),課題組結(jié)合實(shí)際工程展開(kāi)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(zhì)結(jié)構(gòu)的各向異性導(dǎo)致熱傳導(dǎo)條件空間變化,進(jìn)而引起熱流密度向熱阻小(熱傳導(dǎo)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(hù)結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)極大的影響和危險(xiǎn),特別是在運(yùn)行期會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生巨大的溫度拉應(yīng)力,影響工程的長(zhǎng)期運(yùn)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(yīng)用于實(shí)際工程,研究高溫引水發(fā)電隧洞圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度分布規(guī)律以及不同工況下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性,同時(shí)還對(duì)溫度和應(yīng)力耦合作用下的襯砌伸縮縫間距進(jìn)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(shè)計(jì)與施工建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)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(xiàng)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(jí)電站。發(fā)電引水隧洞位于蓋孜河左岸,進(jìn)口位于Ⅷ壩線上游約240 m處,向北東穿過(guò)山包、過(guò)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(guó)道1 600 km里程碑處,總長(zhǎng)17.36 km(高地溫洞段平面圖見(jiàn)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(shì)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(shì)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(kāi)挖揭露,發(fā)電引水隧洞前段存在高地溫問(wèn)題(實(shí)測(cè)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(jiàn)地下水出露,個(gè)別裂隙中見(jiàn)有白色熱氣冒出(施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2)。根據(jù)施工支洞的位置推測(cè)引水發(fā)電隧洞主洞樁號(hào)2+ 680 m—6+799 m段存在高地溫,在施工時(shí)需要采取一定降溫措施。

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

2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布規(guī)律

高地溫隧洞溫度場(chǎng)的分布規(guī)律對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性影響巨大,因此在研究高溫條件下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性之前,首先應(yīng)對(duì)高地溫隧洞溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)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(lái)研究溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。

2.1 熱學(xué)分析參數(shù)及恒溫邊界的確定

根據(jù)《布侖口初設(shè)地質(zhì)報(bào)告》和水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范選取的相關(guān)熱力學(xué)參數(shù),如表1所示。

對(duì)于高地溫深埋地下洞室,假定在巖層較遠(yuǎn)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(dòng)的影響,視為常數(shù)T0。蔡曉紅等[18]指出R可由巖石的導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱c、密度ρ、開(kāi)挖半徑r0及一年內(nèi)最低溫度持續(xù)時(shí)間tm確定,即

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)參數(shù)Tab.1 Thermodynamic parameters for surrounding rock and supporting structure

將相關(guān)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(dá)200多米,本文將R適當(dāng)放寬至10.0 m。

2.2 瞬態(tài)溫度場(chǎng)求解

圓形洞室某一截面的傳熱過(guò)程可以簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)過(guò)程,其非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)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(jìn)行對(duì)流換熱,王義江在給定邊界條件下對(duì)該式進(jìn)行了求解,獲得了圍巖溫度隨時(shí)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(fù)根:

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

2.3 瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布規(guī)律

本文選取超越方程前10 000個(gè)非負(fù)實(shí)根來(lái)求解圍巖瞬態(tài)溫度場(chǎng),溫度場(chǎng)分布規(guī)律如圖3和4所示。

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

圖4 不同時(shí)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(jìn)行熱量交換,在熱傳導(dǎo)作用下圍巖溫度不斷降低,最后趨于穩(wěn)定。過(guò)水瞬時(shí)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(shì),直至恒溫邊界。距洞壁越遠(yuǎn)圍巖溫度對(duì)低溫冷水的響應(yīng)越遲緩,趨于穩(wěn)定的時(shí)間也越長(zhǎng)。在對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)共同作用下圍巖溫度場(chǎng)再次調(diào)整穩(wěn)定需5個(gè)月。

圖4為不同時(shí)刻圍巖溫度場(chǎng)分布曲線,從圖中可以看出對(duì)流換熱1 d后,低溫冷水對(duì)圍巖溫度場(chǎng)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(shí)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(duì)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(chǎng)分布規(guī)律

采用文獻(xiàn)[18]中的公式求解高溫隧洞穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng),當(dāng)隧洞冬季通過(guò)低溫冷水時(shí),襯砌內(nèi)邊界溫度達(dá)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(chǎng)分布規(guī)律,如圖5所示。

從圖5可見(jiàn),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(yuǎn)其溫度越接近于圍巖初始溫度。由于圍巖和混凝土導(dǎo)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(guò)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(dāng)對(duì)流換熱系數(shù)降低50%時(shí),隧洞壁面溫度提高了約6%,而當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)降低50%時(shí),隧洞開(kāi)挖面溫度降低了約35%,可見(jiàn)導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)隧洞溫度場(chǎng)影響明顯大于對(duì)流換熱系數(shù),因此,為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,參數(shù)(特別是導(dǎo)熱系數(shù))選取應(yīng)盡量準(zhǔn)確。

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

3 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性研究

圖6 溫度應(yīng)力計(jì)算Fig.6 The calculating sketch for temperature stress

3.1 溫度應(yīng)力解析公式

高溫隧洞中,圍巖沿徑向方向的尺寸遠(yuǎn)小于沿洞軸向的尺寸,因而可按平面應(yīng)變問(wèn)題處理。溫度應(yīng)力由自生溫度應(yīng)力和彈性約束溫度應(yīng)力兩部分組成。首先根據(jù)無(wú)限長(zhǎng)厚壁圓筒理論可得圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的自生溫度應(yīng)力計(jì)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(yīng)力,其余參數(shù)意義見(jiàn)圖6。

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

式中:ps為熱彈性約束力,其余符號(hào)同式(5)。

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

3.2 襯砌受力特性

襯砌結(jié)構(gòu)徑向應(yīng)力分布如圖7。從圖中可以看出襯砌結(jié)構(gòu)徑向應(yīng)力較小,耦合作用下沿厚度方向襯砌徑向受力均為拉應(yīng)力,最大值位于襯砌中部,約為0.20 MPa;而內(nèi)水壓力單獨(dú)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(yīng)力約為0.30 MPa;自生溫度應(yīng)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(yīng)力隨半徑增大而增大,最大值約為0.10 MPa。

圖8為襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力分布曲線。從圖中可以看出襯砌環(huán)向應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)在襯砌內(nèi)壁,約為4.80 MPa。在內(nèi)水單獨(dú)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(yīng)力;自生溫度應(yīng)力沿厚度方向由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力,而耦合約束應(yīng)力近似均勻分布,約為2.20 MPa。

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

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

3.3 噴層受力特性

初期支護(hù)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(yīng)力約為0.10 MPa。噴層厚度較小,自生溫度應(yīng)力也較小,而在內(nèi)水壓力單獨(dú)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(dǎo)作用,致使引水隧洞運(yùn)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(yīng)力(圖10),最大值位于噴層外測(cè),約1.0 MPa;而內(nèi)水壓力和耦合約束應(yīng)力對(duì)噴層環(huán)向應(yīng)力的貢獻(xiàn)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(yīng)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(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。

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

圖10 噴層環(huán)向應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律與支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)力分布規(guī)律和耦合應(yīng)力規(guī)律基本一致,耦合約束應(yīng)力隨半徑增加而增大,最大值約為0.30 MPa,內(nèi)水壓力對(duì)圍巖徑向受力貢獻(xiàn)較小。

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

圖11 圍巖變溫區(qū)徑向應(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)及裂縫寬度驗(yàn)算

由文獻(xiàn)[18]可知最大伸縮縫間距可表示為:

根據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析結(jié)果可知,隧洞最大溫降約為14.68℃,將相關(guān)熱力學(xué)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(shè)計(jì)值可表示為:

根據(jù)設(shè)計(jì)施工等要求進(jìn)一步取[L]=9.0 m,根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的相關(guān)計(jì)算公式可得裂縫開(kāi)展寬度為-0.90 mm,表明伸縮縫間距為9.0 m時(shí),運(yùn)行期過(guò)水工況下襯砌不會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(shí)際工程在高地溫條件下引水隧洞圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度分布規(guī)律和受力特性,得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1)瞬態(tài)法所得穩(wěn)定溫度場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果吻合較好,導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響較對(duì)流換熱系數(shù)更加明顯,過(guò)水瞬時(shí)襯砌內(nèi)邊界降溫劇烈,引水隧洞溫度場(chǎng)調(diào)整穩(wěn)定所需時(shí)長(zhǎng)約為5個(gè)月。

(2)高溫有壓引水隧洞應(yīng)力可分為自生溫度應(yīng)力、約束溫度應(yīng)力和內(nèi)水壓力產(chǎn)生的應(yīng)力三部分,內(nèi)水壓力較小時(shí),溫度應(yīng)力占主導(dǎo)地位。本工程襯砌全斷面受拉,最大環(huán)向拉應(yīng)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(yīng)力,且沿深度方向逐漸轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性應(yīng)盡量降低混凝土的初始澆筑溫度,并采取鋪設(shè)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(shí),運(yùn)行期過(guò)水工況下不會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫。

參 考 文 獻(xiàn):

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179153);西安理工大學(xué)優(yōu)博創(chuàng)新基金資助項(xiàng)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(chǎng)耦合方面的研究。E-mail:liunaifei1985@126.com