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高岩温引水隧洞

已有 725 次阅读 2019-4-28 07:22 |系统分类:论文交流

随着我国西部水电资源的大力开发以及环境生态工程的需要,长距离的引水调水工程越来越多。西部地区山高谷深、地势陡峻,长隧洞引水式发电是一种有效的水能开发方式。但引水长隧洞均具有埋深大、线路长,穿越不同的地质单元,且无法避开活断层影响等特点。其中,高地温、高地应力及高渗压等地质问题严重,尤其是高地温问题在近年来的引水工程中逐渐增多。新疆布仑口—公格尔引水发电隧洞,从现场揭示的地质情况来看,孔内最高温度达到 100℃,开挖后洞内温度也在 60~80℃,高温问题极其突出;锦屏二级水电站引水隧洞长16~19km,一般埋深 1500~2000m,最大埋深 2500m,洞内温度也达到 50~60℃;墨脱水电站在雅鲁藏布江大拐弯处修建了 40km 长的引水隧洞,最大埋深可达4000m,也存在高地温问题。


高地温越来越成为影响隧洞施工及安全性的主导因素。研究表明,当初始岩体温度达到 35℃以上、湿度达到 80%时,高温问题就会对隧道的建设造成严重影响,不仅会显著降低劳动生产率,而且会危害作业人员的健康安全,导致施工无法进行。另外,洞内高温高湿也容易引起机械设备故障增多,使其效率降低,严重者工期受阻。目前,国内外针对高岩温隧洞的研究主要集中在煤炭巷道以及长距离公路、铁路在施工期开挖时的通风降温或发生火灾后的降温方面  。而除了这些问题外,水利工程中对于温度影响的分析与其他工程显著的不同之处在于:①对支护结构安全性的要求更加严格,其不仅要承担施工期开挖荷载,还要承担运行期的内水荷载;②运行期过水后围岩及支护结构的温度条件更加恶劣,尤其是西部高寒地区,常年极低水温、高温差下的支护结构受力情况在其他工程难以遇到。


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三峡水电站


矿井热害在我国及其他主要产煤国早已非常突出,作为矿井灾害之一,矿井中出现的高温严重恶化了施工条件,持续的高温对施工人员的身体健康及工作能力均造成了极大的影响,在降低劳动效率的同时也增加了事故的发生概率。根据对山东、江苏等省份煤矿的调研成果 ,煤矿工作面温度超过 30℃的达到70%以上,针对煤矿热害的相关研究开展较早,取得了一定的研究成果。近年来,对于公路隧道及铁路隧道的温度研究也逐渐增多,其主要集中在两个方面:一方面为高海拔地区低温冻害对隧道主体结构及运行期间的影响,另一方面主要为隧道运行过程中可能发生的火灾对隧道安全性的影响 。近年来,在秦岭特长隧道、高黎贡山隧道等工程中也出现了一定的高温问题,但研究成果较少 。随着高速公路、铁路建设在西部地区的发展,高温条件下的公路、铁路隧道研究也将大量涌现,现有研究成果对未来可能出现的高温问题缺乏足够指导。

 

高温条件下引水隧洞与其他隧洞的显著区别在于运行期,洞内低温水与岩体高温形成高温差,从而使支护结构的安全性面临重大考验,这方面的研究尚未见到相关报道。对于高温条件采取支护结构后的施工期、运行期过水条件下的温度场变化特征缺少实测资料的分析,尤其对于高温差下支护结构的受力特点缺少全面、系统的研究,其受力特点不明将严重制约引水隧洞设计工作的开展。

 

目前国内外针对高温隧洞的研究主要集中在施工期范围内,遇到的围岩温度普遍不高,研究重点在于降低工作面温度从而使得施工人员能够正常施工。然而,对于高温隧洞的支护结构受力特点,尤其是高温差下的支护结构研究很少同时,作为水工引水隧洞,在过水低温运行期和放空水的检修期,隧洞内的温度大幅度变化,温度干湿循环会使混凝土出现热疲劳损伤,即其中的最高温度或循环状态是影响混凝土力学性能的发展的重要因素。这样的环境中,鲜有涉及如何确保混凝土支护结构在高温环境下的工作性能的研究。特别是针对较高温差下的衬砌喷层混凝土所做工作极为有限。

 

2009 年新疆布仑口—公格尔水电站引水隧洞开工建设,19km 长的引水隧洞遇到了 4~5km 的高岩温洞段,设计、施工遇到前所未见的困难。当时该工程的主要设计单位新疆水利水电勘测设计研究院院长于海鸣充分认识到,这种极特殊的围岩条件可能对该常规隧洞工程设计产生极大影响,在业主侯代平总经理的大力支持下,三方(设计单位、业主、西安理工大学)达成共同出资由西安理工大学主要承担的大型研究课题——新疆盖孜河布仑口—公格尔水电站工程高温引水隧洞围岩稳定性与支护衬砌研究(2009~2014)。首先在引水隧洞主洞高岩温洞段开挖了两个原位试验支洞,进行了长达一年多的现场原位试验,并结合现场试验情况,在西安理工大学进行了高岩温隧洞过冷水的模拟试验,不同温差、不同养护条件下的喷层材料纤维材料的热学、力学与热力学试验以及相应的系统的数值仿真试验研究。结合姚显春、曲星、张岩的博士学位论文及若干硕士生(王亚南、何欣、刘俊平、朱振烈、万克诚等)的学位论文研究,基本完成了高岩温地区水工引水隧洞在不同施工措施(通风、支护等)、不同运行工况(衬砌封闭、过冷水、放空检修等)条件下的围岩、支护、衬砌结构的温度场特性,温度场与应力场耦合特性及自重场、二次开挖应力场、温度应力场、内水压力产生的应力场的耦合特性研究,提出了该类围岩引水隧洞的设计原则。在此基础上,经由新疆水利水电勘测设计研究院该项目的设计工程师余春海、郭宇、代立新等的修改、补充,直接将研究成果应用于新疆布仑口—公格尔水电站工程高温引水隧洞高岩温洞段有压引水洞的衬砌设计与施工。工程完工后,经过近三年运行,效果良好,未出现任何温度应力裂缝。




本文摘编自李 宁 姚显春 余春海 侯代平 高岩温引水隧洞围岩稳定性与支护衬砌设计方法研究一书,内容删减,标题为编者所加。文章插图"三峡水电站"来自百度图片,版权归原作者所有。


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高岩温引水隧洞围岩稳定性与支护衬砌设计方法研究

李 宁 姚显春 余春海 侯代平 著

西安理工大学水利工程国家重点学科、西北旱区生态水利国家重点实验室联合资助

ISBN 978-7-03-059171-5

责任编辑:亢列梅 徐世钊


内容简介


《高岩温引水隧洞围岩稳定性与支护衬砌设计方法研究》首先对国内外高岩温隧洞(道)的工程问题及研究现状进行介绍与分析,围绕新疆布仑口—公格尔水电站引水隧洞穿越高岩温地区遇到的设计难题,通过现场试验、室内试验、模拟试验、数值仿真试验的手段对引水隧洞在不同开挖、不同支护阶段的温度场进行系统分析、研究。在此基础上,对不同工况下温度场引发的隧洞围岩与支护、衬砌结构的温度应力特征及其变化规律进行分析、推导与数值求解,并推导出引水隧洞围岩与支护结构在内水荷载下的温度场、应力场耦合求解解析格式与数值求解方法及一种简单方便的半解析方法——微步开挖模拟法。最后对洞室喷层材料、衬砌混凝土在不同养护温度条件、不同工作温差工况下的力学性质进行系统的室内试验研究。综合研究成果,初步提出高岩温引水隧洞与支护衬砌结构的设计原则,并成功在布仑口—公格尔水电站高温隧洞工程中得到应用。本书可供从事隧洞(道)工程设计、施工的技术人员及科研人员阅读,也可作为大专院校相关专业研究生的参考书。


(本期编辑:王芳)


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1 杨正瓴

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