基于對(duì)流-導(dǎo)熱耦合模型的寒區(qū)水工隧洞圍巖溫度-應(yīng)力耦合分析

孟 堯，姜海波

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

高海拔寒區(qū)隧洞在自然通風(fēng)條件下寒冷空氣與隧洞圍巖發(fā)生對(duì)流換熱，圍巖之間也存在著導(dǎo)熱，從而產(chǎn)生明顯的溫度差且出現(xiàn)溫度應(yīng)力，使圍巖的應(yīng)力分布及穩(wěn)定性發(fā)生變化。寒區(qū)隧洞的安全穩(wěn)定離不開隧洞溫度-應(yīng)力耦合的研究分析，因此有必要基于對(duì)流-導(dǎo)熱耦合模型，對(duì)寒區(qū)水工隧洞圍巖在不同環(huán)境條件下圍巖不同位置的溫度-應(yīng)力耦合進(jìn)行分析。目前，關(guān)于寒區(qū)隧洞圍巖的溫度場(chǎng)及溫度-應(yīng)力耦合的研究已取得很多成果。丁浩、孟堯等[1-2]研究發(fā)現(xiàn)，洞內(nèi)外大氣和圍巖發(fā)生熱傳遞，得到隧洞徑向和縱向溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。嚴(yán)健等[3]研究得出，升溫對(duì)掌子面周圍的洞壁溫度影響較大。徐衍、劉江川等[4-5]研究得出，圍巖徑向距離增加，溫度影響逐漸消失，圍巖的溫度變化是影響圍巖受力狀態(tài)的重要因素。劉杰等[6]對(duì)比不同洞型開挖的應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)分布，確定圓形斷面為最優(yōu)開挖斷面。李松磊等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隧洞在無(wú)襯砌時(shí)通水，溫度荷載會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，影響工程的安全穩(wěn)定。劉春龍等[8]研究得出，變溫區(qū)溫度場(chǎng)與隧洞圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力耦合關(guān)系曲線。王偉[9]研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)流荷載作用下，距離隧道圍巖越近圍巖溫度變化越大，對(duì)流荷載可使隧道開挖后圍巖應(yīng)力減小，對(duì)隧道不同位置圍巖應(yīng)力的影響不同。王睢等[10]推導(dǎo)出深埋含襯砌有壓圓形隧洞在施工和運(yùn)行不同工況下的彈塑性解，驗(yàn)證了模型的正確性。賀耕夫等[11]研究發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)半徑對(duì)圍巖單軸抗壓強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的變化非常敏感，甚至達(dá)到8～10倍洞徑。湯盛顯等[12]利用彈塑性交界面上應(yīng)力連續(xù)原則，使用隧道壁面應(yīng)變?yōu)檫吔鐥l件，求出塑性區(qū)半徑和對(duì)應(yīng)的徑向應(yīng)變。王明年等[13]得出隧道洞周徑向位移與強(qiáng)度比呈負(fù)相關(guān)，塑性區(qū)半徑、隧道洞周徑向位移均與開挖半徑呈線性正相關(guān)的結(jié)論。劉思杰等[14]對(duì)開挖期間圍巖破壞機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，在頂拱、拱肩多個(gè)部位出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。任喜平[15]研究得出羊曲水電站泄洪洞圍巖位移變形及應(yīng)力分布規(guī)律。馬康等[16]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度荷載的增加，隧道產(chǎn)生徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力，徑向應(yīng)力在襯砌與圍巖交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。陳張華等[17]研究軟巖力學(xué)參數(shù)的敏感性發(fā)現(xiàn)，降低軟巖變形模量后廠區(qū)的位移、應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)均有變化。王平等[18]研究得出，深部高地應(yīng)力軟巖巷道塑性區(qū)軸比與應(yīng)力集中是惡性循環(huán)的，提出控制巷道塑性區(qū)最大半徑方向上的圍巖變形是關(guān)鍵。李志雨[19]得出地下隧洞只在溫度作用下以及在溫度和原始地應(yīng)力共同作用下隧洞圍巖應(yīng)力的數(shù)值解，并與解析解對(duì)比驗(yàn)證，兩者結(jié)果吻合較好。以上研究分析了不同環(huán)境下寒區(qū)隧洞溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，并且進(jìn)一步研究了溫度荷載產(chǎn)生的溫度應(yīng)力作用下隧洞圍巖發(fā)生的變化。

高海拔寒區(qū)隧洞貫通后在自然通風(fēng)的低溫條件下，圍巖的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而影響水工隧洞圍巖的應(yīng)力分布及穩(wěn)定性。因此，有必要研究不同自然通風(fēng)溫度和不同風(fēng)速下的水工隧洞洞口及洞中位置圍巖溫度-應(yīng)力耦合及其演化規(guī)律。本文以新疆某寒區(qū)水工隧洞為依托，基于M-C本構(gòu)模型，采用有限元仿真計(jì)算，對(duì)不同自然通風(fēng)溫度和不同風(fēng)速下的水工隧洞洞口及洞中位置圍巖溫度-應(yīng)力耦合及其演化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，定量分析計(jì)算寒區(qū)隧洞溫度-應(yīng)力耦合的分布規(guī)律及其變化規(guī)律，研究隧洞內(nèi)風(fēng)溫、風(fēng)速對(duì)圍巖溫度-應(yīng)力耦合的影響，并分析其影響機(jī)制，得到圍巖瞬態(tài)的應(yīng)力及塑性應(yīng)變分布規(guī)律，可為寒區(qū)水工隧洞安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 工程實(shí)例

新疆某引水隧洞位于高寒半干旱氣候區(qū)，季節(jié)性溫差較大，最低氣溫-34.3 ℃，最高氣溫35.9 ℃，最冷月平均氣溫-16.66 ℃；多年平均風(fēng)速2.1 m/s，風(fēng)向西。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得知，引水隧洞周圍的圍巖實(shí)測(cè)溫度為9 ℃。洞址區(qū)為第四系地層，未見層理，洞室圍巖完整性較好，上覆蓋巖層厚260～300 m。通過(guò)地質(zhì)勘查，隧洞區(qū)只有少量上層滯水，圍巖及周圍巖體水分較少，可忽略水對(duì)應(yīng)力的影響。

1.2 對(duì)流-導(dǎo)熱耦合模型構(gòu)建及參數(shù)

計(jì)算流體與固體壁面接觸換熱用牛頓冷卻公式表達(dá)，即

q=h(Ta-Tb)

(1)

式中，h為物體與周圍介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)；Ta為物體的壁面溫度；Tb為介質(zhì)的平均氣溫。熱傳導(dǎo)用傅立葉導(dǎo)熱基本定律表達(dá)

(2)

式中，q為單位傳熱面積熱流量；n為等溫面法線方向向量。對(duì)流-導(dǎo)熱公式表示為

(3)

隧洞直徑3 m，根據(jù)實(shí)際工程，采用有限元軟件建立模型，圍巖計(jì)算范圍取為21 m×21 m×1 000 m的立方體模型。因?yàn)闇囟群奢d對(duì)隧洞圍巖應(yīng)力的影響是一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程，所以分析某年寒冷季節(jié)11月到翌年3月共5個(gè)月的隧洞洞口部位與隧洞中間部位自然通風(fēng)150 d的溫度-應(yīng)力耦合分布規(guī)律，取每3 d的平均溫度為1個(gè)溫度荷載，共50個(gè)溫度荷載，作用在洞壁圍巖和進(jìn)出口橫斷面上。模型上部施加地應(yīng)力荷載且無(wú)約束，前后面y方向約束，左右面x方向約束，下部鉸鏈約束。模型網(wǎng)格采用C3D8T八結(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元，考慮到橫斷

面有圓形隧洞，給隧洞進(jìn)行邊布種，使得模型網(wǎng)格劃分更合理。模型網(wǎng)格劃分見圖1所示。根據(jù)工程基本資料得到圍巖力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格劃分

1.3 初始條件與邊界條件

本文中圍巖初始溫度9℃，隧洞為通風(fēng)邊界，空氣和圍巖發(fā)生對(duì)流換熱，因此洞壁為對(duì)流換熱邊界條件，通風(fēng)初始溫度4℃。由文獻(xiàn)[20]可知，對(duì)流換熱與流體的狀態(tài)、熱力學(xué)性質(zhì)及固體壁面的幾何尺寸、粗糙度有關(guān)，并且利用理想化的半圓拱形模型試驗(yàn)擬合出對(duì)流換熱系數(shù)公式。本文研究隧洞不同位置圍巖應(yīng)力受通風(fēng)溫度、風(fēng)速的影響，為滿足單一變量原則，模型中假定：①隧洞圍巖是連續(xù)均質(zhì)、各向同性的，自然風(fēng)流為連續(xù)介質(zhì)，風(fēng)速大小沿程不變。②洞壁圍巖的換熱條件是一致的，沿隧洞軸向和徑向不發(fā)生變化。

依據(jù)文獻(xiàn)[20]擬合出的計(jì)算公式求對(duì)流換熱系數(shù)h。風(fēng)速為1 m/s時(shí)，h=39.96 W/(m2·℃)；風(fēng)速為2 m/s時(shí)，h=59.61 W/(m2·℃)；風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，h=88.93 W/(m2·℃)；風(fēng)速為4 m/s時(shí)，h=132.67 W/(m2·℃)。隧洞埋深均取300 m，因?yàn)樗矶床煌恢寐裆钕嗖畈淮螅∽畲髽O限有利于安全穩(wěn)定，還能避免埋深變化的影響。

1.4 溫度-應(yīng)力耦合機(jī)理及求解方法

由文獻(xiàn)[21]可知，溫度-應(yīng)力耦合有2個(gè)方面：一方面，是溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，圍巖溫度變化由溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響以及溫度變化對(duì)圍巖熱力學(xué)參數(shù)的影響；另一方面，是應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，圍巖應(yīng)力的變化使圍巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而影響圍巖的溫度場(chǎng)，與此同時(shí)，圍巖內(nèi)部變形會(huì)產(chǎn)生一定熱量也會(huì)影響圍巖溫度場(chǎng)。

力學(xué)耦合機(jī)理：溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)之間通過(guò)某種力學(xué)作用相互耦合；參數(shù)耦合機(jī)理：溫度場(chǎng)對(duì)巖體的物理性質(zhì)參數(shù)的影響及巖體在不同風(fēng)溫、不同風(fēng)速下熱物理性質(zhì)的改變影響溫度場(chǎng)而表現(xiàn)出耦合作用。由文獻(xiàn)[22]可知，溫度場(chǎng)的變化對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響較大，而應(yīng)力場(chǎng)在彈性變形范圍內(nèi)對(duì)溫度場(chǎng)的影響非常小，從而可以忽略應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。本文為簡(jiǎn)化耦合計(jì)算，只考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，忽略應(yīng)力場(chǎng)改變對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

2 基于對(duì)流-導(dǎo)熱耦合模型的圍巖溫度-應(yīng)力分析

2.1 隧洞洞口和洞中位置溫度模擬結(jié)果

圖2、3分別為基于對(duì)流-導(dǎo)熱耦合模型通風(fēng)風(fēng)速v為2 m/s時(shí)，距離隧洞洞口1 m和隧洞洞中位置寒冷季節(jié)不同天數(shù)的溫度-應(yīng)力耦合溫度云圖。表2為風(fēng)速2 m/s時(shí)，自然通風(fēng)情況下距離洞口1 m和隧洞洞中位置洞壁圍巖的溫度值。

表2 不同通風(fēng)天數(shù)不同位置洞壁圍巖溫度 ℃

從圖2、3可知，自然通風(fēng)時(shí)間增加，對(duì)流-導(dǎo)熱對(duì)隧洞周圍圍巖溫度的影響范圍逐漸增大，最終穩(wěn)定在以隧洞中心為圓心半徑10 m左右的范圍，距離洞壁圍巖2 m范圍內(nèi)的圍巖溫度變化最大，距離洞壁圍巖越遠(yuǎn)，圍巖的溫度變化越小。從表2可知，隧洞60 d與30 d洞口的溫差為1.15 ℃，洞中為1.31 ℃；隧洞90 d與30 d洞口的溫差為6.26 ℃，洞中為6.48 ℃；隧洞120 d與30 d洞口的溫差為1.88 ℃，洞中為2.48 ℃；隧洞150 d與30 d洞口的溫差為9.01 ℃，洞中為9.425 ℃。隧洞在自然通風(fēng)時(shí)，隧洞洞中位置產(chǎn)生的溫差大于洞口。

圖2 不同通風(fēng)天數(shù)洞口位置圍巖溫度-應(yīng)力耦合下溫度分布(單位：℃)

2.2 隧洞洞口位置應(yīng)力及塑性模擬結(jié)果

圖4、5為通風(fēng)風(fēng)速2 m/s時(shí)，距離隧洞洞口1 m 的位置寒冷季節(jié)不同天數(shù)的溫度-應(yīng)力耦合最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布。表3為風(fēng)速2 m/s時(shí)，距離洞口1 m位置圍巖不同部位的主應(yīng)力(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))。

從圖4、5和表3可知，頂拱、腰拱、底拱部位隨著時(shí)間的增加主應(yīng)力逐漸減小，主應(yīng)力經(jīng)過(guò)削減期到達(dá)穩(wěn)定期。主要原因是圍巖發(fā)生塑性變形使圍巖內(nèi)的能量釋放，次要原因是低溫下由溫度差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力(圍巖單元受低溫影響體積收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力)抵消了一部分圍巖壓應(yīng)力。最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值在腰拱部位最大，并且隨著時(shí)間的增加差值逐漸減小，最大差值為15.05 MPa。

圖3 不同通風(fēng)天數(shù)洞中位置圍巖溫度-應(yīng)力耦合下溫度分布(單位：℃)

圖4 不同通風(fēng)天數(shù)洞口位置溫度-應(yīng)力耦合下最大主應(yīng)力分布(單位：Pa)

表3 不同天數(shù)圍巖不同部位的主應(yīng)力 MPa

提取圖5中的數(shù)據(jù)，作出腰拱部位不同時(shí)間不同深度的最小主應(yīng)力分布，見圖6。從圖6可知，腰拱部位隨著時(shí)間的增加最小主應(yīng)力逐漸減小，隨著圍巖深度的增加最小主應(yīng)力逐漸減小至穩(wěn)定，表明隧洞圍巖經(jīng)過(guò)應(yīng)力削弱達(dá)到應(yīng)力穩(wěn)定。隧洞壁面圍巖的最小主應(yīng)力最大，這是由于洞壁處無(wú)襯砌結(jié)構(gòu)并且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象造成的。

圖5 不同通風(fēng)天數(shù)洞口位置溫度-應(yīng)力耦合下最小主應(yīng)力分布(單位：Pa)

圖6 腰拱部位在不同天數(shù)不同深度的最小主應(yīng)力變化

由文獻(xiàn)[23]可知，在非均勻應(yīng)力場(chǎng)測(cè)壓力系數(shù)小于1時(shí)，水平方向的塑性區(qū)半徑大于垂直方向的塑性區(qū)，塑性區(qū)形狀近似為橫蝶形。本文側(cè)壓力系數(shù)通過(guò)泊松比計(jì)算為0.43。圖7為通風(fēng)風(fēng)速2 m/s時(shí)，距離隧洞洞口1 m的位置寒冷季節(jié)不同天數(shù)溫度-應(yīng)力耦合塑性應(yīng)變值云圖。從圖7可知，塑性區(qū)形狀大致為橫蝶形，塑性應(yīng)變最先出現(xiàn)在腰拱位置，并且隨著通風(fēng)時(shí)間的增加塑性應(yīng)變值逐漸增大，塑性區(qū)逐漸由腰拱向上下兩端延伸，塑性區(qū)范圍逐漸增大。通風(fēng)30 d時(shí)，塑性應(yīng)變值最大出現(xiàn)在腰拱位置，為7.906×10-4；通風(fēng)150 d，圍巖塑性應(yīng)變值最大出現(xiàn)在腰拱，為0.019 14。通風(fēng)30 d時(shí)，塑性區(qū)半徑約為1倍洞徑，厚度約為0.69 m。隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，塑性區(qū)向上下兩端延伸，150 d時(shí)塑性區(qū)半徑有微小變化，厚度變?yōu)?.08 m。

圖7 不同通風(fēng)天數(shù)洞口位置溫度-應(yīng)力耦合圍巖塑性應(yīng)變?cè)茍D

2.3 隧洞洞中位置應(yīng)力及塑性模擬結(jié)果

圖8、9為通風(fēng)風(fēng)速2 m/s時(shí)隧洞洞中部位寒冷季節(jié)不同天數(shù)的溫度-應(yīng)力耦合最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布。通風(fēng)150 d的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力見表4。從圖8、9可知，隧洞洞中部位的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力變化規(guī)律和隧洞洞口位置基本一致。表4中應(yīng)力值有明顯的變化，洞口位置與洞中位置壓應(yīng)力值最大相差0.01 MPa。圖2、3溫度場(chǎng)結(jié)果可以很好解釋這種變化規(guī)律，隧洞洞中位置溫度高于洞口，自然通風(fēng)時(shí)洞口位置的溫差小于洞中位置的溫差，所以洞口位置圍巖體積收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于洞中位置，低溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力抵消了一部分圍巖的壓應(yīng)力，使洞中位置主應(yīng)力的壓應(yīng)力小于洞口位置。

圖8 不同通風(fēng)天數(shù)洞中位置溫度-應(yīng)力耦合下最大主應(yīng)力分布(單位：Pa)

圖9 不同通風(fēng)天數(shù)洞中位置溫度-應(yīng)力耦合下最小主應(yīng)力分布(單位：Pa)

表4 通風(fēng)150 d不同位置的主應(yīng)力 MPa

圖10為通風(fēng)風(fēng)速2 m/s時(shí)隧洞洞中位置寒冷季節(jié)不同天數(shù)的溫度-應(yīng)力耦合塑性應(yīng)變?cè)茍D。不同通風(fēng)時(shí)間隧洞洞口與隧洞洞中的塑性應(yīng)變值見表5。從圖10可知，通風(fēng)150 d，隧洞洞中與隧洞洞口的塑性應(yīng)變?cè)茍D變化規(guī)律基本一致，塑性應(yīng)變都是30 d時(shí)最先出現(xiàn)在腰拱位置，并且隨著通風(fēng)時(shí)間的增加塑性應(yīng)變值逐漸增大，塑性區(qū)逐漸由腰拱向上下兩端延伸，厚度逐漸增加。從表5可知，隧洞洞口位置的塑性應(yīng)變大于隧洞洞中位置，一是，洞中位置的溫差大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于洞口位置；二是，洞口和洞中位置的埋深一樣，洞中位置的壓應(yīng)力小于洞口，故洞中位置的塑性應(yīng)變也小。

圖10 不同通風(fēng)天數(shù)洞中位置溫度-應(yīng)力耦合圍巖塑性應(yīng)變?cè)茍D

表5 隧洞洞口與洞中位置塑性應(yīng)變 10-3

2.4 隧洞洞中位置不同風(fēng)速下應(yīng)力及塑性模擬結(jié)果

圖11為隧洞洞中部位不同通風(fēng)風(fēng)速下經(jīng)過(guò)寒冷季節(jié)150 d的溫度-應(yīng)力耦合最小主應(yīng)力分布。表6為不同情況下溫度-應(yīng)力耦合的最小主應(yīng)力值。從圖11和表6可知，對(duì)照組(v=1 m/s且無(wú)溫度荷載)與v=1 m/s的最大壓應(yīng)力差為0.16 MPa，最小壓應(yīng)力差為0.14 MPa，由此可以得出，通風(fēng)150 d溫度荷載在腰拱位置產(chǎn)生的最大溫度應(yīng)力(拉應(yīng)力)為0.16 MPa，并且抵消了部分圍巖壓應(yīng)力。隨著通風(fēng)風(fēng)速的增加，最小壓應(yīng)力在緩慢減小，最大壓應(yīng)力也有緩慢減小，但表6中沒體現(xiàn)(云圖保留3位小數(shù))。腰拱位置的壓應(yīng)力比溫度應(yīng)力大得多，故腰拱位置的應(yīng)力受風(fēng)速影響比頂拱和底拱受風(fēng)速的影響小，文獻(xiàn)[2]溫度場(chǎng)結(jié)果可以很好地解釋這種變化規(guī)律。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)增加，隧洞洞壁溫度逐漸降低，空氣對(duì)流產(chǎn)生的溫差逐漸增大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力(拉應(yīng)力)逐漸增加從而抵消了一部分圍巖壓應(yīng)力，因而風(fēng)速增加圍巖壓應(yīng)力在減小。

表6 隧洞洞中不同情況下最小主應(yīng)力 MPa

圖11 隧洞洞中不同風(fēng)速作用下溫度-應(yīng)力耦合最小主應(yīng)力分布(單位：Pa)

圖12為隧洞洞中部位不同通風(fēng)風(fēng)速下經(jīng)過(guò)寒冷季節(jié)150 d的溫度-應(yīng)力耦合塑性應(yīng)變?cè)茍D。表7為不同風(fēng)速作用下溫度-應(yīng)力耦合的最大塑性應(yīng)變值。從圖12和表7可知，對(duì)照組(無(wú)溫度荷載)的塑性應(yīng)變值最大，為0.019 15，與v=1 m/s的塑性應(yīng)變值相差0.000 41；隨著通風(fēng)風(fēng)速的增加，對(duì)流換熱系數(shù)增加，溫度應(yīng)力逐漸增大，抵消了圍巖壓應(yīng)力，使圍巖的塑性應(yīng)變逐漸減小。由此可以得出，溫度荷載對(duì)隧洞圍巖的塑性應(yīng)變影響較大，通風(fēng)風(fēng)速增大也可以影響隧洞圍巖的塑性應(yīng)變值，只是影響較小。

圖12 隧洞洞中不同風(fēng)速作用下溫度-應(yīng)力耦合圍巖塑性應(yīng)變?cè)茍D

表7 隧洞洞中不同情況下最大塑性應(yīng)變 10-3

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于對(duì)流-導(dǎo)熱耦合模型，對(duì)寒區(qū)水工隧洞圍巖溫度-應(yīng)力耦合場(chǎng)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)自然通風(fēng)150 d，對(duì)流-導(dǎo)熱對(duì)隧洞周圍半徑10 m的圍巖溫度場(chǎng)都有明顯的影響，距離洞壁2 m范圍內(nèi)的圍巖溫度場(chǎng)變化最大。隧洞洞中位置溫差大，對(duì)流產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于洞口位置。

(2)隧洞圍巖頂拱、腰拱、底拱部位隨著時(shí)間的增加主應(yīng)力逐漸減小。一方面，頂拱、腰拱、底拱位置產(chǎn)生的溫度應(yīng)力(拉應(yīng)力)抵消了部分圍巖的壓應(yīng)力；另一方面，圍巖主應(yīng)力經(jīng)過(guò)消減期到達(dá)穩(wěn)定期。在隧洞洞壁處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主應(yīng)力值最大，距離圍巖深度越深，圍巖的主應(yīng)力值逐漸減小到初始應(yīng)力值。

(3)隧洞洞口與洞中位置的塑性應(yīng)變、塑性區(qū)厚度都隨著時(shí)間增加而增加，經(jīng)過(guò)150d最終趨于穩(wěn)定不變，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在隧洞洞口腰拱位置，為0.0191 4，塑性區(qū)半徑約為1倍洞徑，塑性區(qū)厚度約為2.08 m。

(4)經(jīng)過(guò)不同通風(fēng)風(fēng)速150 d的作用，隧洞洞中位置的最小主應(yīng)力隨風(fēng)速的增加逐漸減小，但變化較小；隧洞洞中位置的塑性應(yīng)變也逐漸減??；風(fēng)速改變時(shí)溫度差變化較小，對(duì)隧洞圍巖的主應(yīng)力及塑性應(yīng)變值都有影響但較小。溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力最大值在腰拱位置，為0.16 MPa。