齊熱電站高地溫引水隧洞熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

王保東，于可忱

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

隨著我國西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施，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)志性項目，能有效緩解喀什及南疆地區(qū)供電緊張狀況，促進地區(qū)經(jīng)濟社會發(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15.64km，隧洞最大埋深1720m，洞徑4.7m，樁號6+900～10+990 與樁號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測溫度最高達(dá)到119℃，并伴有高壓高溫（147℃）氣體噴出，隧洞空氣溫度超過60℃。趙國斌等認(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。運行期間，隧洞過水時溫度較低，圍巖在溫度荷載作用下會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，使原來發(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)在溫度場影響下的應(yīng)力演化，并進行相關(guān)配筋計算分析，為相關(guān)工程實踐提供參考，具有理論意義和實際價值。

1 模型建立

1.1 模型參數(shù)設(shè)定

針對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。

計算模型見圖1，為避免周邊圍巖約束對隧洞計算結(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，后進行鋼筋混凝土襯砌支護，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

設(shè)定圍巖外邊界溫度為90℃，同時對襯砌結(jié)構(gòu)進行配筋計算，設(shè)計如下：

（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℃，后進行襯砌結(jié)構(gòu)澆筑，30天后進行隧洞通水，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℃，后進行襯砌結(jié)構(gòu)澆筑，30 天后進行隧洞通水，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；通水運行30 天后，水流對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)力向外擴展顯著；襯砌結(jié)構(gòu)整體運行期間全斷面環(huán)向應(yīng)力超過混凝土溫度應(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\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，占運行前30 天應(yīng)力增量的93%，后期運行期間，襯砌結(jié)構(gòu)溫度基本穩(wěn)定，應(yīng)力變化較小。通水運行之初襯砌內(nèi)側(cè)溫度梯度及降溫卸載應(yīng)力最大，運行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)力隨通水運行時長的增加而升高，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)首次通水運行時應(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行30天后總應(yīng)力發(fā)展至最大，超過混凝土溫度應(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)計要求。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)的配筋計算見表2，在未噴射隔熱涂層條件下最大合力達(dá)8673.5KN，按鋼筋300MPa 的抗拉強度及1.2 的安全系數(shù)計算，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)計要求，既保證工程安全，又經(jīng)濟高效。

表2 引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋計算表

3 結(jié)論

本文基于齊熱水電工程，運用有限元模擬進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)在通水運行期間的降溫卸載效應(yīng)減弱，通水運行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行大量配筋才能滿足設(shè)計要求，不符合工程建設(shè)的經(jīng)濟高效原則；噴射隔熱涂層后僅需構(gòu)造配筋即可滿足工程設(shè)計要求，是更合理可行的施工方案。