高温差环境下衬砌混凝土的强度特性及其破坏机理研究

The special geological structure in the Western China has brought high geothermal problem in a number of large-scale hydropower projects. The one side of the concrete shotcrete layer in the hydraulic tunnel is in contact with higher temperature rock, and the other side of the concrete shotcrete layer is in contact with the air during construction and is in contact with the lower temperature air during operation respectively. Compared with the normal temperature, the high temperature difference environment caused the huge difference in mechanical characteristics of concrete lining, but the systematic research of this important issue is still blank. The topic has been studied on the background of the high-temperature tunnel inside at Buren mouth - kongur Hydropower Station in West Kunlun Mountains of Xinjiang. Using concrete lining as research subjects, the means of laboratory experiments, theoretical analysis and numerical simulation of concrete in the conditions of different temperature based on temperature monitoring have been made, in order to have a depth study of the strength characteristics and failure mechanism of the different types concrete lining under high temperature difference conditions and temperature cycling conditions, and so on. And the strength evolution of fiber concrete lining under the influence of temperature is determined. The repeatedly hot and cold temperature difference fatigue damage model of the lining concrete is established. The model and calculation of design formula is presented to describe the engineering.

我国西部地区的特殊地质构造导致一些大型水电工程遭遇高地温问题，使得水工隧洞的衬砌混凝土一侧接触高温岩土体，另一侧在施工期接触空气，在运行期接触低温水，高温差环境引起衬砌混凝土的受力特征与常温环境相比存在巨大差异。而这一重要问题国内外尚未见有系统研究报道。本课题以新疆布仑口—公格尔水电站引水隧洞为研究背景，以衬砌混凝土为研究对象，采用不同高温差条件的混凝土室内试验、理论分析以及数值模拟等手段，结合现场温度监测，深入研究不同类型衬砌混凝土在高温差条件、温度循环条件等复杂温度状态下的强度特征与破坏机理；确定纤维衬砌混凝土在温度影响下的强度演化关系；确定隧洞衬砌混凝土在往返热应力下的疲劳强度特征；提出能够适用于工程设计的模型与计算公式。

高地温环境下的引水隧洞其洞内低温水与围岩高温形成的高温差对衬砌混凝土的力学性能与破坏构成巨大的影响，但是到目前为止，高温差对混凝土强度影响的机制还不完全清楚。课题以新疆高岩温引水隧洞工程为依托，采取室内试验、解析分析以及现场监测试验等研究手段，对高温差条件下引水隧洞衬砌的温度场、应力场变化规律、主要影响因素以及相关应力细观模型机制进行系统深入研究，具有十分重要的科学意义与工程应用前景，主要工作及成果如下： .（1）通过现场试验，得到隧洞混凝土衬砌实际承受的温度边界条件，建立了隧洞混凝土衬砌温度场预测模型。利用化学反应动力学理论推导出混凝土衬砌初凝强度和后期强度随温度变化公式。详细分析了混凝土水化反应参数受对围岩温度场的影响，将高岩温引水隧洞衬砌混凝土的水化过程变化分为两个阶段，阐明了其变化机理；（2）解析得到了高温差下隧洞衬砌混凝土的早期劈裂抗拉强度随不同温度的变化分布规律，提出了水温与岩温形成的温差条件下的细观分析模型；推导了高温差影响引起的隧洞衬砌早期劈裂抗拉强度解析表达式；（3）建立了运行期内在高温差作用下的混凝土支护结构裂纹萌生与扩展计算的解析解公式；分析了由刚度系数表示的能量方程来表达的混凝土衬砌的损伤演化规律，揭示了衬砌混凝土在温差作用下的主要参数如纤维分布、微裂纹密度、定向分布微裂纹与混凝土开裂强度之间的受力机制；（4）通过建立现场试验洞，室内系统试验方法得到了干湿循环条件下不同混凝土材料、不同循环次数下衬砌结构在往返热应力作用下的疲劳强度规律；在疲劳累积损伤理论的基础上提出了多年运行检修条件下的混凝土衬砌的疲劳损伤模型；提出了可供类似工程参考的高温差引水隧洞混凝土衬砌结构的设计思路。