高温条件下引水隧洞衬砌受力变形研究.pdf

工程实践水利技术监督 年第 期:/高温条件下引水隧洞衬砌受力变形研究李 玥(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)辽宁 沈阳)摘要:岩石特性对隧洞围岩衬砌支撑结构的变形特性和力学特性有显著影响 文章通过室内模型试验 分析引水隧洞围岩内外壁温差与内部温度应力的关系 结果表明 引水隧洞衬砌结构内外墙的温差可导致衬砌结构内部产生温度应力 没有水流时 引水隧洞衬砌支撑结构的内外墙温差会产生压应力 注入水后支撑结构的压应力发展成拉应力 高温引水隧洞围岩支撑结构内外壁温度差将引起周向拉应力增大 结果为引水隧洞围岩的支撑结构施工提供参考关键词:引水隧洞 支护结构稳定性 温度应力 力学性能中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:李 玥(年)女 工程师:当存在水流动时 高温引水隧洞的支撑结构的内外墙将有很高的温差 高温差对支撑结构的应力状态的影响研究是隧洞支撑结构分析和设计中面临的新问题和挑战 在受高温影响的地下工程问题中 现有的成果和研究集中在火灾和放射性物质引起的周围岩石高温应力支撑结构和规律上 关于由高温差引起的应力问题的研究很少 特别是在水力隧洞中 在研究隧洞周围岩石的温度场分布及其对支撑结构周围岩石的影响时 相对较多的研究工作集中在隧洞的冷区域 在隧洞处于高温时 支撑结构应力状态的实验室模型测试研究很少 本文依托某引水隧洞项目 采用砂浆环形预制体模拟隧洞支撑结构 采用室内加热模型模拟隧洞周围岩体的不同温度 通过改变砂浆环形预制体外部电加热线圈的温度 模拟了引水隧洞不同周围岩体温度 通过改变预制体中水的温度 模拟了运行期间隧洞的不同水温 基于不同工况和不同温度方案下隧洞衬砌结构的温度、应变和应力变化特性分析了不同工况下支撑结构的变化特性 研究背景某地区的的高温引水隧洞建造时 发现隧洞的围岩温度在不同位置和时间段内有所波动 最高温度可达到 周围岩石的内部温度可达到 当围岩深度大于 时为恒温区域 温度值保持在 从 围岩深部开始往洞中心靠近洞壁 岩体温度按指数形式递减至洞内环境温度 隧洞中流动的水的温度范围为 隧洞围岩的内壁和外壁存在较大的温度差 为保证隧洞衬砌结构安全开展试验分析 模型试验设计 隧洞围岩模型及传感器的铺设室内实验模型以某地区的高温岩石为原型 设置的测试隧洞的支撑结构相似比为 采用 砂浆制作隧洞围岩模型 水泥采用是普通硅酸盐水泥()符合“普通硅酸盐水泥”规范 沙子采用级配良好的中等砂 细度模数为 制作一个尺寸为 的小型砂浆块作为应变仪的载体 并将小砂浆块埋入隧洞围岩支撑模型中 为了增加小砂浆块与隧洞围岩支撑模型砂浆之间的粘结力 并确保小砂浆块和衬砌模型的变形一致 在小砂浆块的侧面和底部制作了凹槽 本次测试选择了()双轴箔片应变计 该计有 个互相垂直的敏感门用于测量观测点物体在两个垂直的方向上的应变应变计沿衬砌模型的轴线分 层均匀设置 采用 静态应变测试系统用于收集应变数据 应变计的样式和主要技术参数见表 隧洞围岩模型的尺寸如图 所示 年第 期水利技术监督工程实践图 隧洞围岩模型的尺寸及双轴箔片应变计的铺设表 应变片的参数电阻/灵敏度系数敏感网格尺寸/底座尺寸/最大应变 温度设置程序在测试中 衬砌岩的温度通过使用电热循环加热定制的不锈钢云母来模拟 水温控制为 其中 的水是冰和水的混合物 用于模拟隧洞的冬季水温和进水温度 水龙头的出水温度控制在 并用于模拟夏季水温 完整的测试过程如下:加热电热循环和支撑结构模型 电热循环保持设定温度 隧洞围岩模型保持稳定温度电热循环保持设定温度 将冷水注入隧洞围岩模型 电热循环保持设定温度 排出冷水 隧洞围岩力学性能 隧洞围岩的应力 时间曲线整个测试过程中测量隧洞围岩衬砌模型在不同热源温度下的应力曲线如图 所示由图 可知 预加热阶段 隧洞围岩模型中热能的传导较慢 形成有效热源需要一定的时间 因此加热开始后的 内 隧洞围岩模型的每个测量点测得的应力值都很小 随着加热的进行 隧洞围岩模型热温度应力在 后开始逐渐增加 设定的加热温度越高 应力增长速度越快 加水(水温为)阶段从 开始 隧洞围岩模型的外壁保持设定温度 冷水倒入隧洞围岩模型中 由于冷水和内壁之间的对流传热作用 内壁的温度突然下降 温度差增大导致内壁的压应变迅速降低 逐渐变为拉伸应变 温差越大 应变减小越快 隧洞围岩模型内壁温度下降 后 开始出现周向测量值 在排水阶段初期 应变降低率逐渐降低 应变曲线趋于平缓 排水过程中 应变值开始向压缩应变逐渐增加 但增长速度缓慢 在 的温差之后 由排水引起的周向拉伸应变逐渐减小 开始向压缩应变转变 由于排水阶段的测量时间很短 没有测量到压缩应力值返回到预水位的现象 当温为时 应变 应力的曲线与水温为 时的曲线图 不同热源温度下的应力曲线工程实践水利技术监督 年第 期相似 由于测试过程中的应变值与 水排出后的最终应变值之间的差异 导致隧洞围岩模型内壁的温度降低略小于 水时的温度降低 由于温度下降引起的温度应力变化很小 变化速率很慢 环向应变值较小 无水条件下温度差对隧洞围岩应力特性的影响隧洞围岩模型在不同温度差下 隧洞围岩模型中上、中、下应变计观测的最大热应力变化情况如图 所示在无水条件下 温度差对隧洞围岩模型的温度应力有显著影响 温度差越大 每个观测点的温度压缩应力值越大(在图 中 负值表示压缩应力)温度差和应力之间具有近的似线性关系 热源温度为、和 时 即支撑结构内外墙的温度差分别为、和(室内温度为)在温度差为 时观察到上部位置的最大径向压缩应力为 最大周向温度压缩应力为 最大温度差()的支撑结构压缩应力是最小温度差()的 倍 在每个温度差值处 径向温度应力略小于周向温度应力 支撑结构内外墙的温度差分别为、和 时 每个位置的周向温度压缩应力比径向温度压缩应力大 原因是随着隧洞围岩模型外壁温度的升高 内外壁温度差增大 导致外壁周向变形较大 内壁由于温度低而变形较小 由于受到圆形约束 周向变形较小 因此压缩应力值大于径向温度压缩应力值 有水条件下温度差对隧洞围岩应力特性的影响为了研究有水条件下温度差对隧洞围岩应力特性的影响 将隧洞围岩的模型在不同温度下注满水 模拟隧洞围岩支撑结构在工作条件下的应力特性 根据水库实际运行情况 确定水温为 和 隧洞围岩的模型外壁保持在、或的温度 在水通过阶段 内壁由于接触冷水经历了突然的温度下降 在温差的影响下 隧洞围岩模型内壁的压缩应力迅速下降 当水温为时 隧洞围岩模型内外墙温度差分别为、和 隧洞围岩模型各点的转换应力值如图 所示图 无水条件下不同加热温度()下的最大热应力图 有水条件下不同加热温度()下的最大热应力 年第 期水利技术监督工程实践 可以看出 在水温为 时 随着温度差(、和)的增加 隧洞围岩支撑结构上的周向应力从压缩应力(图中负值)转变为拉伸应力(图中正值)温度差为 时 隧洞围岩支撑结构中部的拉伸应力达到最大值 径向压缩应力仍然是最小压缩应力值 状态不变 内外墙温度差为时 最大压缩应力为 是因为内外墙温度差较大时 隧洞围岩外壁周向变形较大 导致外壁无约束 产生热膨胀和过大的拉伸应力当水温为 时 每个观测点的温度应力与水温为 时相同的规律 如图 所示引水隧洞围岩支撑模型中部在最大温度差为时 周向产生最大拉伸应力 与由水引起的 温度差相比 周向拉伸应力较低 径向应力仍然是压缩应力 当内外墙温度差为 时 最小压缩应力为 最大压缩应力为 与由 水引起的 温度差相比 径向压缩应力值增加 当水温为 时内壁的周向膨胀变形随着温度的升高而增加 与水引起的温度差相比 内外墙周向膨胀变形值之间的差异减小 整体周向拉伸应力减小 温差较大时 外壁的内向径向膨胀变形大于内壁的外向膨胀变形 并且径向变形朝内壁发展 由于内壁约束 产生压缩应力 当内壁温度较低()时 由于整体径向变形 分布在引水隧洞围岩的支撑的整个厚度范围内 导致径向压缩应力较小相反 当内壁温度升高到 时 径向变形仅分布在支撑厚度范围内 因此径向压缩应力大小增加 水温对引水隧洞围岩模型温度应力的影响解释了应力值变化的差异 水温越低 应力变化越快 引水隧洞围岩外壁加热温度分别为、和 水温从 降至 时 意味着水隧洞围岩模型内壁的温度分别从、和 降低至、和 径向压缩应力值的变化减少了、和 周向拉伸应力值的变化分别增加了 、和 从有水流过与没有水流过时引水隧洞支撑模型的应力特性分析中可以看出 在相同的温度差下 引水隧洞支撑模型之间的受力变化存在差异 是因为没有水流过时 内壁和外壁之间的温度差由加热器引起的温度和室温决定 外壁加热到预定温度一段时间(应变计变化时刻作为标准)后 已知内外壁之间存在温度差 此时测得的转换应力即为温度差下引水隧洞模型的应力 但整个引水隧洞支撑模型被加热到高温一段时间后 将水注入内壁 导致引水隧洞支撑结构内部的温度差快速变化 前者是一个相对较慢的过程 由于没有约束 所以没有拉伸应力 内部应力自行调整 后者是一个快速的过程 因 内 部 力 被 快 速 调 整 产 生 大 的 拉 伸应力图 有水条件下不同加热温度()下的最大热应力 结论本文以引水隧洞为依托 开展室内模型试验分析围岩温度和水温对引水隧洞支撑结构的影响得出以下结论()引水隧洞衬砌支撑结构的内外墙之间存在较高的温度差时 引水隧洞衬砌支撑结构内部产生大量的温度应力()没有水流过时 引水隧洞衬砌支撑结构的内外墙温差会产生压应力 温度压应力的变化值与温度差呈正相关 引水隧洞围岩衬砌结构的周向温度压应力是温度差的 到 (下转第 页)年第 期水利技术监督工程实践示 的去除率随曝气位置的增加而增加 在 时达到最大值 和 的去除率随曝气位置的增加呈现波动 在曝气位置为 时 达到最大 的去除率随曝气位置的变化呈现波动的变化 在曝气位置为 时 达到最大 曝气位置的选择可以影响到曝气池内的氧气分布和水流动方向 从而影响到池内微生物的分布和生长情况 进而影响到总磷()和总氮()的去除率 一般而言 曝气位置靠近底部会使得底部氧气浓度更高有利于磷的去除 但同时也会增加 的释放因此需要在实际操作中进行平衡 是曝气池中 微 生 物 的 主 要 氮 源 因 此 曝 气 位 置 对 的去除率有着重要的影响 曝气位置靠近污水入口的位置会使得氨氮在进入曝气池时就得到了较好的氧化 因此 的去除率会更高 的去除主要是由于曝气池中微生物的生长代谢作用 曝气位置的选择会影响到微生物生长的情况 从而对 的去除率产生影响 一般而言 曝气位置靠近顶部的位置会使得曝气池中 的浓度较高 从而有利于 的去除 综上所述曝气深度与水深之比为 时 是较优的曝气位置 结论本文通过自制的实验装置从曝气量、曝气间歇时间和曝气位置 个角度对曝气治理黑臭水体污染 物 及 黑 臭 底 泥 效 果 进 行 研 究 得 出 以 下结论()随着曝气量的增加实验组的去除率先增后趋于稳定 在曝气量为 ()时、和 的去除率达到最大()随曝气间歇时间的增加 和 的去除率呈现先减后增再减小的趋势 的去除率随着曝气间歇时间的增加先不变后增加最后减小 的去除率呈现波动是 变化 在曝气间歇时间为 时、和 的去除率达到最大()的去除率随曝气位置的增加而增加、和 的去除率随曝气位置的增加呈现波动变化 在曝气深度与水深之比为 时、和 的 去 除 率 达 到最大参考文献 贺晏.廖家江黑臭水体综合治理技术研究及应用.南昌大学.吴佐京通 戴先谱 吴辉 等.曝气技术在黑臭水体治理中的研究进展.人民珠江 ():.王小林 叶昌明 陈红继 等.曝气生物滤池及模块化装备用于 城 市 黑 臭 水 体 治 理 .中 国 给 水 排 水 ():.王晓暄.河道治理中曝气耦合湿地的叠加效应及机理研究.江南大学.夏丹.城市黑臭水体微纳米曝气联合微生物促生剂治理技术试验研究.长沙理工大学.龚梦丹.人工曝气技术在黑臭河道治理中的应用.环保科技():.唐其林.多种曝气装置在黑臭水体治理中的对比.中国资源综合利用():.高艳.基于曝气技术与生物促生剂结合的城市黑臭河道治理研究.水利技术监督():.(上接第 页)倍 注入水后 支撑结构的压应力值降低 发展成拉伸应力 温度差越大 温度变化引起的应力降低越快()水温越低 温度 差 越 大 应 力 变 化 越大 对于高温的引水隧洞围岩来说 水温引起的支撑结构内外壁温度差将 引 起 周 向 拉 应 力增大参考文献 张岩 李宁.多因素对高温隧洞稳定性的影响.西北农林科技大学学报:自然科学版 ():.刘春龙 张永 袁继国 等.高温引水隧洞应力场分布的研究.水利与建筑工程学报 ():.刘乃飞 李宁 余春海 等.布仑口水电站高温引水发电隧洞受力特性研究.水利水运工程学报():.王玉锁 杨超 叶跃忠 等.高地热环境隧道支护结构受力特征模型实验研究.铁道建设 ():.陈勤 段亚辉.洞室和围岩温度对泄洪洞支护结构混凝土温度和温度应力影响研究.岩土力学 ():.蔡小林 陈文胜 等.火灾下隧道衬砌的安全设计.岩石力学与工程学报 ():.杨利华.新疆某水利工程岁修维护工程建设与管理实践经验.水利技术监督():.刘杰.输水隧洞穿越节理破碎岩洞段大变形控制方案比选研究.水利技术监督():.