高地温试验洞围岩温度现场监测与分析

2020-08-14貊祖国

陕西水利 2020年7期

貊祖国

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

随着隧洞、电站厂房和地下洞室开采深度的增加，比较棘手的技术难题将越来越突出，比如高地压、高地温和高渗透压等问题。高地温作为水工地下工程的不利条件，必将严重影响工程的施工进度和结构安全。鉴于此，高地温条件也成为了当今学者的研究热点。

杜守继等[1]通过试验手段对高温环境下花岗岩和砂岩的力学特性进行了研究，取得了许多有意义的研究成果。曾春雷[2]利用ANSYS有限元软件对高温、高压和渗流耦合作用下软岩的力学特性进行了研究。杨德源等[3]采用解析方法，求解了一维非稳态导热微分方程，得到任意时刻及任意深度的围岩温度。张树光[4]通过研究得出不考虑渗流作用下，地下洞室围岩温度场呈对称特性，通风条件并不会改变其对称分布特性，考虑渗流作用会影响温度场对称特性。

以上述为代表的学者们对高地温条件下相关内容做了卓有成效的研究，推动了高地温条件下水工隧洞围岩热力学特性的研究进展。对高地温隧洞的研究，现场试验是最直接、最具代表性的。本文依托于新疆某水电站，采用现场试验的方法对高地温引水隧洞试验洞进行温度监测。拟根据试验洞不同工况下的温度场特性表征引水隧洞的温度场变化特征。

1 工程概况

新疆某水利工程位于克州昆仑山腹地，在强烈的新老构造运动和外应力作用下，形成多种地貌类型，具有明显的分带性。该水利枢纽为大（2）型二等工程，具有灌溉、防洪、发电等综合效益。工程引水隧洞前段出现高地温难题。根据现场开挖实测，引水发电隧洞围岩钻孔内温度最值高达105℃，该高地温在国内外均属罕见。经相关研究[5]可知，该引水隧洞高地温的产生是地质不均一造成的。石英片岩夹石墨片岩这一特殊岩质使得岩石导热率高于一般情况，因此，地层深部的热量可传至隧洞，使得该引水隧洞工程温度异常。

2 试验布设

2.1 试验方案

试验洞选于引水隧洞“发4+530 m、4+550 m”桩号处，位于引水主洞内部，朝向引水隧洞围岩垂向开挖，试验洞与引水主洞洞型相同，均为圆形洞，试验洞径3 m，长度为11 m。喷锚支护分为3段，其中靠近洞孔侧的前3 m采用聚酯纤维混凝土喷层支护，中间3 m采用钢纤维混凝土喷层支护，后3 m采用混凝土喷层挂网，喷层厚度均为15 cm，锚杆为梅花形间隔布置，长度为1.5 m。

2.2 监测试验布设

现场钻孔温度数据显示围岩温度最高可达105℃，故现场温度监测试验需选择具有耐高温、防水特性的装置，采用AD590型温度传感器，同时做防水处理。温度采集使用探头装置，各监测点均设置4个测温探头，分别位于围岩0.50 m、1.50 m、2.50 m、3.50 m深度处。根据试验洞方案中衬砌的布置特点，将测温设备布设于各衬砌段中部腰拱部位，挂网喷层衬砌温度监测仪器布设于掌子面中心，见图1。

图1 监测试验布设图

3 试验结果及分析

试验洞温度监测分为施工期和通水运行期。图中点1#、2#、3#、4#分别为位于围岩 3.50 m、2.50 m、1.50 m、0.50 m 深度处的测温装置所在的位置。

3.1 施工期

通过对图2分析可得围岩施工期温度的变化特点：

（1）相同监测点的4个测温探头所测得围岩温度变化的趋势大致相同，即围岩内部各点在温度边界条件变化的影响下，温度的改变趋势相同，具有同升同降特征。

（2）围岩内部各点温度呈现一定规律，即围岩内部各点的温度沿径向呈现递增特征。

（3）围岩内部各点温度自洞口向深部沿试验洞轴线逐渐升高。

为分析施工期各施工步骤对围岩温度场的影响，对钢纤维段温度变化曲线进行分析，见图3。根据施工期施工步骤及围岩温度变化特征，可将其分4个阶段：开挖降温期、喷层施做升温期、温度平稳期、温度降低期。开挖降温期内，衬砌未施做，在通风散热的作用下围岩温度逐步降低；喷层施做升温期内，喷层衬砌的施做使得围岩散热边界改变，围岩温度逐渐升高；温度平稳期内，衬砌结构施做完成后，围岩温度达到暂时平衡；温度降低期内，加强了洞内的通风，在温度对流边界改变的影响之下，围岩温度下降。

图3 施工期钢纤维喷层段温度变化图

3.2 通水运行期

图4 通水运行期围岩温度变化图

由图4通水运行期围岩温度变化图可以看出：

（1）通水运行7天内，试验洞4个各测点监测的围岩温度变化特征相似；

（2）通水运行后，在水温的影响下，围岩温度出现骤降，围岩温度场在3天后趋于稳定；

（3）因毛洞段未施做衬砌，在渗水作用下该段围岩温度较其余部分低。

4 讨论

（1）温度场变化特性

高地温条件下，围岩温度场受施工工序、通风条件、运行通水条件等影响较为显著。

在施工期内，隧洞在通风作用下，以对流换热为主要导热方式，围岩温度逐渐降低。在工序影响下，围岩温度场出现4个较为典型的阶段，各个阶段温度场动态规律波动。施工期各监测点温度值受边界条件影响下变化趋势相似，具有同升同降特点。根据实测数据可分析出，围岩温度场在洞轴线方向上呈由洞口向深部逐渐上升的规律。

运行通水工况下，由于水温较低，使得围岩温度场出现骤变，围岩各点温度骤降，三天后趋于平稳。

（2）温度变化机理分析

隧洞围岩温度场变化特征取决于其初始边界条件及边界条件的变化。高地温条件下，未开挖岩体温度初始条件可视为均一条件。受隧洞开挖影响，洞周岩体出现临空面，在人为通风条件下，围岩主要以对流换热方式向空气导热，其导热情况受风速、风温、边界平整程度等影响。对流换热使得洞壁岩体温度下降后，其与岩体内部将出现温差。围岩内部将以热传导的形式进行热量传递。进一步地，隧洞围岩温度场将不断发生变化，在宏观上表现为围岩温度场的动态变化。

施做衬砌后，衬砌结构覆盖了围岩原有对流换热边界。衬砌结构初始温度场逐步改变而引起的滞后效应、水泥水化热、混凝土导热系数小等因素使得围岩温度出现回升。

通水水温较低，水与衬砌之间对流换热系数较大。此时，通水后洞壁围岩温度骤降，其内部大温差促使热传导效应增强，宏观上表现为围岩温度场迅速变化。