高温条件下引水隧洞衬砌受力变形研究

2023-09-22李玥

水利技术监督 2023年9期

李玥

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁沈阳 110000)

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[1-3]。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[4-5]。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[6]。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。

1 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100℃，周围岩石的内部温度可达到105℃，当围岩深度大于4.5m时为恒温区域，温度值保持在80℃，从4.5m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5～10℃，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。

2 模型试验设计

2.1 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1∶10。采用M25砂浆制作隧洞围岩模型，水泥采用是普通硅酸盐水泥(PO32.5)，符合“GB 175—2007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μf为2.9。制作一个尺寸为70mm×30mm×20mm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BA120-6BA150(11)双轴箔片应变计，该计有2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3层均匀设置，采用DH3816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1，隧洞围岩模型的尺寸如图1所示。

表1 应变片的参数

图1 隧洞围岩模型的尺寸及双轴箔片应变计的铺设

2.2 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0～10℃，其中0℃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10℃，并用于模拟夏季水温。完整的测试过程如下：①加热电热循环和支撑结构模型；②电热循环保持设定温度，隧洞围岩模型保持稳定温度；③电热循环保持设定温度，将冷水注入隧洞围岩模型；④电热循环保持设定温度，排出冷水。

3 隧洞围岩力学性能

3.1 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2所示。

图2 不同热源温度下的应力曲线

由图2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200s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500s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0℃)阶段从1500s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90℃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90℃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10℃时，应变-应力的曲线与水温为0℃时的曲线相似。由于测试过程中的应变值与10℃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0℃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。

3.2 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3所示。

图3 无水条件下不同加热温度(0℃)下的最大热应力

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3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30、60和90℃时，即支撑结构内外墙的温度差分别为15、45和75℃(室内温度为15℃)。在温度差为75℃时观察到上部位置的最大径向压缩应力为5.18MPa，最大周向温度压缩应力为6.15MPa。最大温度差(75℃)的支撑结构压缩应力是最小温度差(15℃)的5～6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15、45和75℃时，每个位置的周向温度压缩应力比径向温度压缩应力大10%～60%。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[7-8]。

3.3 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0和10℃。隧洞围岩的模型外壁保持在30、60或90℃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0℃时，隧洞围岩模型内外墙温度差分别为30、60和90℃。隧洞围岩模型各点的转换应力值如图4所示。

图4 有水条件下不同加热温度(0℃)下的最大热应力

可以看出，在水温为0℃时，随着温度差(30、60和90℃)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90℃时，隧洞围岩支撑结构中部的拉伸应力达到最大值0.89MPa。径向压缩应力仍然是最小压缩应力值0.16MPa，状态不变。内外墙温度差为90℃时，最大压缩应力为0.86MPa。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10℃时，每个观测点的温度应力与水温为0℃时相同的规律，如图5所示。

图5 有水条件下不同加热温度(10℃)下的最大热应力

引水隧洞围岩支撑模型中部在最大温度差为80℃时，周向产生最大拉伸应力0.52MPa，与由0℃水引起的90℃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80℃时，最小压缩应力为0.20MPa，最大压缩应力为1.60MPa。与由0℃水引起的90℃温度差相比，径向压缩应力值增加。当水温为10℃时，内壁的周向膨胀变形随着温度的升高而增加。与0℃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(0℃)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10℃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30、60和90℃，水温从10℃降至0℃时，意味着水隧洞围岩模型内壁的温度分别从20、50和80℃降低至30、60和90℃，径向压缩应力值的变化减少了20%、30%和15%，周向拉伸应力值的变化分别增加了9%、10%和15%。

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。