高溫條件下引水隧洞襯砌受力變形研究

李 玥

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110000)

當存在水流動時，高溫引水隧洞的支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻將有很高的溫差。高溫差對支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)的影響研究是隧洞支撐結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中面臨的新問題和挑戰(zhàn)。在受高溫影響的地下工程問題中，現(xiàn)有的成果和研究集中在火災(zāi)和放射性物質(zhì)引起的周圍巖石高溫應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)和規(guī)律上[1-3]。關(guān)于由高溫差引起的應(yīng)力問題的研究很少，特別是在水力隧洞中[4-5]。在研究隧洞周圍巖石的溫度場分布及其對支撐結(jié)構(gòu)周圍巖石的影響時，相對較多的研究工作集中在隧洞的冷區(qū)域[6]。在隧洞處于高溫時，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的實驗室模型測試研究很少。本文依托某引水隧洞項目，采用砂漿環(huán)形預(yù)制體模擬隧洞支撐結(jié)構(gòu)，采用室內(nèi)加熱模型模擬隧洞周圍巖體的不同溫度。通過改變砂漿環(huán)形預(yù)制體外部電加熱線圈的溫度，模擬了引水隧洞不同周圍巖體溫度。通過改變預(yù)制體中水的溫度，模擬了運行期間隧洞的不同水溫?；诓煌r和不同溫度方案下隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變和應(yīng)力變化特性，分析了不同工況下支撐結(jié)構(gòu)的變化特性。

1 研究背景

某地區(qū)的的高溫引水隧洞建造時，發(fā)現(xiàn)隧洞的圍巖溫度在不同位置和時間段內(nèi)有所波動，最高溫度可達到100℃，周圍巖石的內(nèi)部溫度可達到105℃，當圍巖深度大于4.5m時為恒溫區(qū)域，溫度值保持在80℃，從4.5m圍巖深部開始往洞中心靠近洞壁，巖體溫度按指數(shù)形式遞減至洞內(nèi)環(huán)境溫度，隧洞中流動的水的溫度范圍為5～10℃，隧洞圍巖的內(nèi)壁和外壁存在較大的溫度差，為保證隧洞襯砌結(jié)構(gòu)安全開展試驗分析。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 隧洞圍巖模型及傳感器的鋪設(shè)

室內(nèi)實驗?zāi)Ｐ鸵阅车貐^(qū)的高溫巖石為原型，設(shè)置的測試隧洞的支撐結(jié)構(gòu)相似比為1∶10。采用M25砂漿制作隧洞圍巖模型，水泥采用是普通硅酸鹽水泥(PO32.5)，符合“GB 175—2007普通硅酸鹽水泥”規(guī)范。沙子采用級配良好的中等砂，細度模數(shù)μf為2.9。制作一個尺寸為70mm×30mm×20mm的小型砂漿塊作為應(yīng)變儀的載體，并將小砂漿塊埋入隧洞圍巖支撐模型中。為了增加小砂漿塊與隧洞圍巖支撐模型砂漿之間的粘結(jié)力，并確保小砂漿塊和襯砌模型的變形一致，在小砂漿塊的側(cè)面和底部制作了凹槽。本次測試選擇了BA120-6BA150(11)雙軸箔片應(yīng)變計，該計有2個互相垂直的敏感門，用于測量觀測點物體在兩個垂直的方向上的應(yīng)變，應(yīng)變計沿襯砌模型的軸線分3層均勻設(shè)置，采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)用于收集應(yīng)變數(shù)據(jù)。應(yīng)變計的樣式和主要技術(shù)參數(shù)見表1，隧洞圍巖模型的尺寸如圖1所示。

表1 應(yīng)變片的參數(shù)

圖1 隧洞圍巖模型的尺寸及雙軸箔片應(yīng)變計的鋪設(shè)

2.2 溫度設(shè)置程序

在測試中，襯砌巖的溫度通過使用電熱循環(huán)加熱定制的不銹鋼云母來模擬。水溫控制為0～10℃，其中0℃的水是冰和水的混合物，用于模擬隧洞的冬季水溫和進水溫度；水龍頭的出水溫度控制在10℃，并用于模擬夏季水溫。完整的測試過程如下：①加熱電熱循環(huán)和支撐結(jié)構(gòu)模型；②電熱循環(huán)保持設(shè)定溫度，隧洞圍巖模型保持穩(wěn)定溫度；③電熱循環(huán)保持設(shè)定溫度，將冷水注入隧洞圍巖模型；④電熱循環(huán)保持設(shè)定溫度，排出冷水。

3 隧洞圍巖力學(xué)性能

3.1 隧洞圍巖的應(yīng)力-時間曲線

整個測試過程中測量隧洞圍巖襯砌模型在不同熱源溫度下的應(yīng)力曲線如圖2所示。

圖2 不同熱源溫度下的應(yīng)力曲線

由圖2可知，預(yù)加熱階段，隧洞圍巖模型中熱能的傳導(dǎo)較慢，形成有效熱源需要一定的時間，因此加熱開始后的200s內(nèi)，隧洞圍巖模型的每個測量點測得的應(yīng)力值都很小。隨著加熱的進行，隧洞圍巖模型熱溫度應(yīng)力在500s后開始逐漸增加，設(shè)定的加熱溫度越高，應(yīng)力增長速度越快。加水(水溫為0℃)階段從1500s開始，隧洞圍巖模型的外壁保持設(shè)定溫度，冷水倒入隧洞圍巖模型中。由于冷水和內(nèi)壁之間的對流傳熱作用，內(nèi)壁的溫度突然下降，溫度差增大導(dǎo)致內(nèi)壁的壓應(yīng)變迅速降低，逐漸變?yōu)槔鞈?yīng)變。溫差越大，應(yīng)變減小越快。隧洞圍巖模型內(nèi)壁溫度下降90℃后，開始出現(xiàn)周向測量值。在排水階段初期，應(yīng)變降低率逐漸降低，應(yīng)變曲線趨于平緩。排水過程中，應(yīng)變值開始向壓縮應(yīng)變逐漸增加，但增長速度緩慢。在90℃的溫差之后，由排水引起的周向拉伸應(yīng)變逐漸減小，開始向壓縮應(yīng)變轉(zhuǎn)變。由于排水階段的測量時間很短，沒有測量到壓縮應(yīng)力值返回到預(yù)水位的現(xiàn)象。當溫為10℃時，應(yīng)變-應(yīng)力的曲線與水溫為0℃時的曲線相似。由于測試過程中的應(yīng)變值與10℃水排出后的最終應(yīng)變值之間的差異，導(dǎo)致隧洞圍巖模型內(nèi)壁的溫度降低略小于0℃水時的溫度降低。由于溫度下降引起的溫度應(yīng)力變化很小，變化速率很慢，環(huán)向應(yīng)變值較小。

3.2 無水條件下溫度差對隧洞圍巖應(yīng)力特性的影響

隧洞圍巖模型在不同溫度差下，隧洞圍巖模型中上、中、下應(yīng)變計觀測的最大熱應(yīng)力變化情況如圖3所示。

圖3 無水條件下不同加熱溫度(0℃)下的最大熱應(yīng)力

在無水條件下，溫度差對隧洞圍巖模型的溫度應(yīng)力有顯著影響。溫度差越大，每個觀測點的溫度壓縮應(yīng)力值越大(在圖3中，負值表示壓縮應(yīng)力)，溫度差和應(yīng)力之間具有近的似線性關(guān)系。熱源溫度為30、60和90℃時，即支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)外墻的溫度差分別為15、45和75℃(室內(nèi)溫度為15℃)。在溫度差為75℃時觀察到上部位置的最大徑向壓縮應(yīng)力為5.18MPa，最大周向溫度壓縮應(yīng)力為6.15MPa。最大溫度差(75℃)的支撐結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力是最小溫度差(15℃)的5～6倍。在每個溫度差值處，徑向溫度應(yīng)力略小于周向溫度應(yīng)力。支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)外墻的溫度差分別為15、45和75℃時，每個位置的周向溫度壓縮應(yīng)力比徑向溫度壓縮應(yīng)力大10%～60%。原因是隨著隧洞圍巖模型外壁溫度的升高，內(nèi)外壁溫度差增大，導(dǎo)致外壁周向變形較大，內(nèi)壁由于溫度低而變形較小，由于受到圓形約束，周向變形較小，因此壓縮應(yīng)力值大于徑向溫度壓縮應(yīng)力值[7-8]。

3.3 有水條件下溫度差對隧洞圍巖應(yīng)力特性的影響

為了研究有水條件下溫度差對隧洞圍巖應(yīng)力特性的影響，將隧洞圍巖的模型在不同溫度下注滿水，模擬隧洞圍巖支撐結(jié)構(gòu)在工作條件下的應(yīng)力特性。根據(jù)水庫實際運行情況，確定水溫為0和10℃。隧洞圍巖的模型外壁保持在30、60或90℃的溫度。在水通過階段，內(nèi)壁由于接觸冷水經(jīng)歷了突然的溫度下降，在溫差的影響下，隧洞圍巖模型內(nèi)壁的壓縮應(yīng)力迅速下降。當水溫為0℃時，隧洞圍巖模型內(nèi)外墻溫度差分別為30、60和90℃。隧洞圍巖模型各點的轉(zhuǎn)換應(yīng)力值如圖4所示。

圖4 有水條件下不同加熱溫度(0℃)下的最大熱應(yīng)力

可以看出，在水溫為0℃時，隨著溫度差(30、60和90℃)的增加，隧洞圍巖支撐結(jié)構(gòu)上的周向應(yīng)力從壓縮應(yīng)力(圖中負值)轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力(圖中正值)。溫度差為90℃時，隧洞圍巖支撐結(jié)構(gòu)中部的拉伸應(yīng)力達到最大值0.89MPa。徑向壓縮應(yīng)力仍然是最小壓縮應(yīng)力值0.16MPa，狀態(tài)不變。內(nèi)外墻溫度差為90℃時，最大壓縮應(yīng)力為0.86MPa。是因為內(nèi)外墻溫度差較大時，隧洞圍巖外壁周向變形較大，導(dǎo)致外壁無約束，產(chǎn)生熱膨脹和過大的拉伸應(yīng)力。

當水溫為10℃時，每個觀測點的溫度應(yīng)力與水溫為0℃時相同的規(guī)律，如圖5所示。

圖5 有水條件下不同加熱溫度(10℃)下的最大熱應(yīng)力

引水隧洞圍巖支撐模型中部在最大溫度差為80℃時，周向產(chǎn)生最大拉伸應(yīng)力0.52MPa，與由0℃水引起的90℃溫度差相比，周向拉伸應(yīng)力較低，徑向應(yīng)力仍然是壓縮應(yīng)力。當內(nèi)外墻溫度差為80℃時，最小壓縮應(yīng)力為0.20MPa，最大壓縮應(yīng)力為1.60MPa。與由0℃水引起的90℃溫度差相比，徑向壓縮應(yīng)力值增加。當水溫為10℃時，內(nèi)壁的周向膨脹變形隨著溫度的升高而增加。與0℃水引起的溫度差相比，內(nèi)外墻周向膨脹變形值之間的差異減小，整體周向拉伸應(yīng)力減小。溫差較大時，外壁的內(nèi)向徑向膨脹變形大于內(nèi)壁的外向膨脹變形，并且徑向變形朝內(nèi)壁發(fā)展。由于內(nèi)壁約束，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。當內(nèi)壁溫度較低(0℃)時，由于整體徑向變形，分布在引水隧洞圍巖的支撐的整個厚度范圍內(nèi)，導(dǎo)致徑向壓縮應(yīng)力較小。相反，當內(nèi)壁溫度升高到10℃時，徑向變形僅分布在支撐厚度范圍內(nèi)，因此徑向壓縮應(yīng)力大小增加。水溫對引水隧洞圍巖模型溫度應(yīng)力的影響解釋了應(yīng)力值變化的差異。水溫越低，應(yīng)力變化越快。引水隧洞圍巖外壁加熱溫度分別為30、60和90℃，水溫從10℃降至0℃時，意味著水隧洞圍巖模型內(nèi)壁的溫度分別從20、50和80℃降低至30、60和90℃，徑向壓縮應(yīng)力值的變化減少了20%、30%和15%，周向拉伸應(yīng)力值的變化分別增加了9%、10%和15%。

從有水流過與沒有水流過時引水隧洞支撐模型的應(yīng)力特性分析中可以看出，在相同的溫度差下，引水隧洞支撐模型之間的受力變化存在差異。是因為沒有水流過時，內(nèi)壁和外壁之間的溫度差由加熱器引起的溫度和室溫決定。外壁加熱到預(yù)定溫度一段時間(應(yīng)變計變化時刻作為標準)后，已知內(nèi)外壁之間存在溫度差，此時測得的轉(zhuǎn)換應(yīng)力即為溫度差下引水隧洞模型的應(yīng)力。但整個引水隧洞支撐模型被加熱到高溫一段時間后，將水注入內(nèi)壁，導(dǎo)致引水隧洞支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度差快速變化。前者是一個相對較慢的過程，由于沒有約束，所以沒有拉伸應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力自行調(diào)整。后者是一個快速的過程，因內(nèi)部力被快速調(diào)整，產(chǎn)生大的拉伸應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文以引水隧洞為依托，開展室內(nèi)模型試驗，分析圍巖溫度和水溫對引水隧洞支撐結(jié)構(gòu)的影響，得出以下結(jié)論。

(1)引水隧洞襯砌支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻之間存在較高的溫度差時，引水隧洞襯砌支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生大量的溫度應(yīng)力。

(2)沒有水流過時，引水隧洞襯砌支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻溫差會產(chǎn)生壓應(yīng)力，溫度壓應(yīng)力的變化值與溫度差呈正相關(guān)。引水隧洞圍巖襯砌結(jié)構(gòu)的周向溫度壓應(yīng)力是溫度差的0.6到0.8倍。注入水后，支撐結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力值降低，發(fā)展成拉伸應(yīng)力。溫度差越大，溫度變化引起的應(yīng)力降低越快。

(3)水溫越低，溫度差越大，應(yīng)力變化越大，對于高溫的引水隧洞圍巖來說，水溫引起的支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁溫度差將引起周向拉應(yīng)力增大。