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構的內外墻將有很高的溫差。高溫差對支撐結構的應力狀態的影響研究是隧洞支撐結構分析和設計中面臨的新問題和挑戰。在受高溫影響的地下工程問題中，現有的成果和研究集中在火災和放射性物質引起的周圍巖石高溫應力支撐結構和規律上[1-3]。關于由高溫差引起的應力問題的研究很少，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構周圍巖石的影響時，相對較多的研究工作集中在隧洞的冷區域[6]。在隧洞處于高溫時，支撐結構應力狀態的實驗室模型測試研究很少。本文依托某引水隧洞項目，采用砂漿環形預制體模擬隧洞支撐結構，采用室內加熱模型模擬隧洞周圍巖體的不同溫度。通過改變砂漿環形預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。通過改變預制體中水的溫度，模擬了運行期間隧洞的不同水溫。基于不同工況和不同溫度方案下隧洞襯砌結構的溫度、應變和應力變化特性，分析了不同工況下支撐結構的變化特性。

1 研究背景

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

2 模型試驗設計

2.1 隧洞圍巖模型及傳感器的鋪設

室內實驗模型以某地區的高溫巖石為原型，設置的測試隧洞的支撐結構相似比為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”規范。沙子采用級配良好的中等砂，細度模數μf為2.9。制作一個尺寸為70mm×30mm×20mm的小型砂漿塊作為應變儀的載體，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，在小砂漿塊的側面和底部制作了凹槽。本次測試選擇了BA120-6BA150(11)雙軸箔片應變計，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變，應變計沿襯砌模型的軸線分3層均勻設置，采用DH3816靜態應變測試系統用于收集應變數據。應變計的樣式和主要技術參數見表1，隧洞圍巖模型的尺寸如圖1所示。

表1 應變片的參數

圖1 隧洞圍巖模型的尺寸及雙軸箔片應變計的鋪設

2.2 溫度設置程序

在測試中，襯砌巖的溫度通過使用電熱循環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加熱電熱循環和支撐結構模型；②電熱循環保持設定溫度，隧洞圍巖模型保持穩定溫度；③電熱循環保持設定溫度，將冷水注入隧洞圍巖模型；④電熱循環保持設定溫度，排出冷水。

3 隧洞圍巖力學性能

3.1 隧洞圍巖的應力-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力曲線如圖2所示。

圖2 不同熱源溫度下的應力曲線

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

3.2 無水條件下溫度差對隧洞圍巖應力特性的影響

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

圖3 無水條件下不同加熱溫度(0℃)下的最大熱應力

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

3.3 有水條件下溫度差對隧洞圍巖應力特性的影響

為了研究有水條件下溫度差對隧洞圍巖應力特性的影響，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構在工作條件下的應力特性。根據水庫實際運行情況，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，內壁由于接觸冷水經歷了突然的溫度下降，在溫差的影響下，隧洞圍巖模型內壁的壓縮應力迅速下降。當水溫為0℃時，隧洞圍巖模型內外墻溫度差分別為30、60和90℃。隧洞圍巖模型各點的轉換應力值如圖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，隧洞圍巖支撐結構上的周向應力從壓縮應力(圖中負值)轉變為拉伸應力(圖中正值)。溫度差為90℃時，隧洞圍巖支撐結構中部的拉伸應力達到最大值0.89MPa。徑向壓縮應力仍然是最小壓縮應力值0.16MPa，狀態不變。內外墻溫度差為90℃時，最大壓縮應力為0.86MPa。是因為內外墻溫度差較大時，隧洞圍巖外壁周向變形較大，導致外壁無約束，產生熱膨脹和過大的拉伸應力。

當水溫為10℃時，每個觀測點的溫度應力與水溫為0℃時相同的規律，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，周向產生最大拉伸應力0.52MPa，與由0℃水引起的90℃溫度差相比，周向拉伸應力較低，徑向應力仍然是壓縮應力。當內外墻溫度差為80℃時，最小壓縮應力為0.20MPa，最大壓縮應力為1.60MPa。與由0℃水引起的90℃溫度差相比，徑向壓縮應力值增加。當水溫為10℃時，內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，內外墻周向膨脹變形值之間的差異減小，整體周向拉伸應力減小。溫差較大時，外壁的內向徑向膨脹變形大于內壁的外向膨脹變形，并且徑向變形朝內壁發展。由于內壁約束，產生壓縮應力。當內壁溫度較低(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，導致徑向壓縮應力較小。相反，當內壁溫度升高到10℃時，徑向變形僅分布在支撐厚度范圍內，因此徑向壓縮應力大小增加。水溫對引水隧洞圍巖模型溫度應力的影響解釋了應力值變化的差異。水溫越低，應力變化越快。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壁的溫度分別從20、50和80℃降低至30、60和90℃，徑向壓縮應力值的變化減少了20%、30%和15%，周向拉伸應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。外壁加熱到預定溫度一段時間(應變計變化時刻作為標準)后，已知內外壁之間存在溫度差，此時測得的轉換應力即為溫度差下引水隧洞模型的應力。但整個引水隧洞支撐模型被加熱到高溫一段時間后，將水注入內壁，導致引水隧洞支撐結構內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，所以沒有拉伸應力，內部應力自行調整。后者是一個快速的過程，因內部力被快速調整，產生大的拉伸應力。

4 結論

本文以引水隧洞為依托，開展室內模型試驗，分析圍巖溫度和水溫對引水隧洞支撐結構的影響，得出以下結論。

(1)引水隧洞襯砌支撐結構的內外墻之間存在較高的溫度差時，引水隧洞襯砌支撐結構內部產生大量的溫度應力。

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

(3)水溫越低，溫度差越大，應力變化越大，對于高溫的引水隧洞圍巖來說，水溫引起的支撐結構內外壁溫度差將引起周向拉應力增大。