高地温梯度水工高压隧洞THM耦合作用下的承载特性研究

Aiming to the specificity of mechanical behavior of hydraulic high pressure tunnel in the high geothermal gradient field, its bearing behaviors are studied based on experimental study, monitoring data in situ, theoretically analysis, numerical calculation and engineering application. The mechanical response characteristics and mode of coupled thermo-hydro-mechanical-damage (THM-D) are obtained by means of laboratory test and site test. A THM-D computation model considering strength degradation of post-peak brittle material and damage evolution process is proposed to describe the mechanical response of hydraulic pressure tunnel. Then, the proposed models are used to simulate the mechanical behavior of hydraulic pressure tunnels under complex environment and different operation condition in order to reveal the working mechanism of hydraulic pressure tunnels under high temperature gradient conditions. Finally, the proposed theory and model are improved by application study on typical engineering case in high geothermal region of western China. The study results will provide scientific references for building design theories system and formulating design specifications for hydraulic pressure tunnel in high geothermal region.

本项目针对水工高压隧洞在高地温梯度场中力学行为的特殊性，采用试验研究、理论分析、数值计算与工程实践有机结合的方法，系统开展高地温梯度下水工压力隧洞的承载特性研究。通过可模拟高地温梯度及THM耦合作用的模型试验，结合现场原型测试，在获取高地温梯度水工高压隧洞的力学响应特性与THM耦合作用特征的基础上，建立考虑脆性材料峰后强度劣化的含损伤演化的THM-损伤耦合计算模型，实现高地温梯度水工高压隧洞力学响应的合理预测，进而利用THM-损伤计算模型推演各种环境、运行工况和加固条件下水工高压隧洞的力学行为演化过程与破坏模式，由此揭示高地温梯度水工高压隧洞THM耦合作用下的承载特性；最后通过西部地区典型工程应用研究，进一步深化对其承载特性的认识，验证和完善所提出的理论与模型。通过本项目的基础性研究，为高地温地区水工隧洞结构设计理论体系的构建以及相关规范的制订提供科学依据。

针对水工高压隧洞在高地温梯度场中力学行为的特殊性，系统开展了高地温梯度下水工压力隧洞的承载特性研究。首先，自主研发了高地温水工高压隧洞结构模型试验的相似材料，获得了适用于模拟不同性状硬岩的热-水-力(THM)多场耦合行为的相似材料配方。其次，基于自主研发的相似材料，首次开展了高地温水工高压隧洞的大比尺水工模型试验，揭示了高地温水工高压隧洞的承载特征：与非高地温条件相比，在高地温梯度与高内水压力所产生的拉应力迭加作用下，高地温条件下水工高压隧洞的承载能力显著较低；与非高地温条件下围岩出现少数几条主裂缝不同，高地温条件下围岩主裂缝之间的次生裂缝甚为发育；高地温条件下水工高压隧洞围岩的热-水-力多物理场耦合效应明显，内水压力不变条件下围岩的裂缝扩展与损伤增长呈现非连续阶跃变化特征。在上述研究基础上，提出了适用于描述高地温水工高压隧洞围岩力学行为特点的热-水-力-损伤（THMD）多场耦合模型的数值模拟模型，实现了高地温梯度水工高压隧洞力学响应的合理预测，由此揭示了各种运行工况和加固条件下的水工高压隧洞力学行为演化特征与破坏模式。进而，提出了一系列的复杂结构可靠度快速分析的高斯过程动态响应面法，为高地温水工高压隧洞围岩与衬砌的结构可靠度分析提供了一种新的有力工具。最后，研发了一种适合于高地温水工高压隧洞加固技术——玄武岩纤维复合材料（BFRP）网格增强衬砌结构，该技术可显著提高地温水工高压隧洞的承载能力。. 项目研究成果为高地温地区水工隧洞结构设计理论体系的构建以及相关规范的制订提供了重要科学依据。