高温环境下水工引水隧洞围岩与支护衬砌结构受力特点研究

随着我国西部水电能源、南水北调等大型输水工程的开发，高地温影响的水工隧洞围岩稳定性及支护、衬砌结构的安全性问题将日益突出。本课题以正在施工中的新疆布仑口-公格尔水电站引水隧洞为研究背景，其洞内已揭示的温度高达86℃，以洞室围岩-支护衬砌结构作为研究对象，通过对高温条件下隧洞的现场监测、理论分析以及数值模拟试验等手段，深入研究水工引水隧洞在高温差下围岩的温度应力场分布特点与支护衬砌结构的可能失稳破坏模式与机理，以及特殊的支护方式；提出一套适用于西部水电站高温环境下深埋引水隧洞围岩稳定性的评价标准与支护结构的设计方法，对于西部大型引水隧洞工程的稳定性分析与评价具有重要的理论意义和工程应用价值。

高岩温地区越来越多的长距离输水工程遇到的隧洞洞内低温水与岩体高温形成的高温差对围岩与支护结构的安全性构成巨大的挑战，而在这方面的研究成果很少，严重制约了引水工程的发展。课题以布仑口-公格尔高岩温引水隧洞工程为依托，采取解析分析、数值仿真、室内试验以及现场监测试验等研究手段，对高岩温引水隧洞温度场、应力场变化规律、主要影响因素以及相关应力场温度场耦合机制进行系统深入研究，最终提出高岩温中引水隧洞中支护结构的设计原则，主要工作及成果如下：.（1）通过现场试验，得到隧洞围岩衬砌结构在不同工况下温度场分布特征，建立了隧洞围岩温度分布预测模型与复合衬砌温度场预测模型。利用傅立叶定律推导出圆形隧洞无任何支护及隔热措施下围岩温度分布公式与复合衬砌隧洞的温度场分布公式。详细分析了各种热力学参数对围岩温度场的影响，将高岩温引水隧洞温度场变化分为三个阶段，阐明了其变化机理。.（2）解析得到了隧洞开挖过程中围岩热应力与运行期不同温度微步时刻衬砌热应力的变化分布规律。提出了温度与开挖共同影响洞室围岩应力场特性的分析模型；推导了开挖卸荷与温度变化相互影响引起的隧道围岩任意深度处的变形与应力分布解析表达式。.（3）建立了稳态条件下运行期内水荷载及温度荷载共同作用下的支护结构受力计算解析解公式；采用数值模拟手段，分析了瞬态温度场条件下内水荷载与温度荷载的应力叠加规律，揭示了内水荷载与温度荷载共同作用下支护结构的受力机制；.（4）通过现场取样，室内系统试验方法得到了不同喷层材料、不同隔热措施下喷层与衬砌结构的抗热应力能力及设计原则；.（5）结合布仑口-公格尔高岩温引水隧洞现场试验成果，采用数值模拟手段，对高岩温隧洞在不同影响因素下的支护结构受力进行了系统的分析，提出了针对Ⅲ类围岩采用改良的聚酯纤维混凝土喷层作为永久衬砌的方案，并已在新疆布仑口-公格尔水电站高岩温引水隧洞工程中得到应用。提出了可供类似工程参考的高岩温引水隧洞支护结构设计原则。