(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展，一次能源造成的環(huán)境污染問題已引起社會廣泛關(guān)注。而大力發(fā)展水電等可再生能源就成為解決我國能源瓶頸、改善生態(tài)環(huán)境的重要手段。其中，水電站建設(shè)離不開輸水隧洞等地下洞室工程，由于地質(zhì)條件不同，部分地下洞室工程建設(shè)面臨著高巖溫問題，不僅造成施工困難，同時也會對支護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定的不利影響。因此，對圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析研究，對提高高巖溫條件下的輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。

1 工程概況

遼寧省觀音閣水庫輸水工程位于遼寧省中部重要河流太子河的干流上，主要是將觀音閣水庫的富余水量經(jīng)過輸水隧洞和管線以自流的方式引入下游本溪市的大型輸水工程[1]。工程的主要任務(wù)是保障本溪生產(chǎn)生活用水安全，提高供水水質(zhì)，保障本溪市主要工業(yè)企業(yè)的用水，為本溪市未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活提供安全可靠的水源。觀音閣水庫輸水工程取水設(shè)計規(guī)模為125萬m3/d，年平均取水量約3.74億m3[2]。該工程的輸水線路總長為91.30km，包括41.50km的輸水隧洞以及49.8km的輸水管線。其中，輸水隧洞段為城門洞形斷面，尺寸3.2m×3.5m，工程投資14.13億元。輸水隧洞采用新奧法施工[3]。受當(dāng)?shù)靥厥夤こ痰刭|(zhì)環(huán)境的影響，輸水隧洞的部分施工段存在高巖溫情況。例如，輸水隧洞三標(biāo)段的部分洞段的圍巖溫度較高，平均溫度在28℃以上，最高巖溫達(dá)到82℃，洞內(nèi)環(huán)境溫度基本在50℃以上，且氧氣比較缺乏。顯然，高巖溫會對開挖過程中的圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定的影響，并且溫度越高，這種影響就愈加嚴(yán)重。因此，對隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱力學(xué)敏感性分析，對隧洞的設(shè)計和施工具有重要的參考價值。

2 有限元計算模型的構(gòu)建

2.1 計算模型

在有限元模型研究中，可以將地下洞室結(jié)構(gòu)視為無限域問題。但是，選擇合適的研究范圍可以在保證計算精度的前提下減少計算量，達(dá)到省時省力的作用。根據(jù)觀音閣水庫輸水工程的設(shè)計資料，計算過程中隧洞襯砌模型為圓拱直墻洞型，其中邊墻與拱頂?shù)暮穸葹?.05m，隧洞底板的厚度為0.50m。結(jié)合相關(guān)研究成果，對輸水隧洞在6D范圍內(nèi)進(jìn)行研究，即可達(dá)到應(yīng)力和位移計算的精度要求。因此，本文結(jié)合大伙房輸水工程的第三標(biāo)段的實際情況，選取36m×40m的計算區(qū)域，采用ANSYS大型通用有限元軟件，利用序貫耦合法，對觀音閣水庫輸水工程高巖溫段輸水隧洞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)參數(shù)敏感性進(jìn)行分析研究[4]。

2.2 邊界條件

考慮選擇的模型大小并沒有達(dá)到頂部，模型本身和外界環(huán)境之間的熱交換作用可忽略不計，因此，將模型的上邊界視為絕熱邊界。結(jié)合相關(guān)研究成果，在溫度場計算過程中，輸水隧洞襯砌混凝土的計算初始溫度為澆筑溫度，圍巖的初始溫度為圍巖初溫，鑒于研究區(qū)段的圍巖溫度情況，圍巖初溫取80℃[5]。

在計算過程中，由于隧洞襯砌段的對稱面為絕熱邊界，采用第二類熱學(xué)邊界條件；在施工期邊墻未澆筑之前，隧洞底板和邊墻以及邊墻和圍巖之間的接觸面可以通過對流散熱，采用第三類熱學(xué)邊界條件；在施工結(jié)束后，邊墻、拱頂和底板的混凝土單元均可以通過空氣對流散熱，采用低三類邊界條件[6]。鑒于上述分析，在進(jìn)行耦合場分析過程中，對模型分別施加熱分析邊界條件和靜力分析邊界條件。

2.3 計算參數(shù)

結(jié)合該工程的相關(guān)地質(zhì)資料以及相關(guān)工程的工程經(jīng)驗，計算確定襯砌混凝土和圍巖熱力學(xué)相關(guān)參數(shù)(見表1[7])。

表1 計算參數(shù)

2.4 試驗方案

根據(jù)本文研究目的，將輸水隧洞內(nèi)部的支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱頂、拱肩以及關(guān)鍵部位的環(huán)向應(yīng)力大小對熱力學(xué)參數(shù)的敏感性作為研究對象[8]。其中，熱力學(xué)參數(shù)選擇的是輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱以及對流系數(shù)。在具體的數(shù)值模擬實驗過程中，保持其余參數(shù)值不變，對其中某一參數(shù)值的影響進(jìn)行研究。

3 計算結(jié)果分析

3.1 線膨脹系數(shù)的影響

利用本文構(gòu)建的模型對輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同線膨脹系數(shù)條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層溫度和應(yīng)力的大小進(jìn)行數(shù)值模擬計算，結(jié)果見圖1和圖2。由計算結(jié)果可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的溫度隨著線膨脹系數(shù)的改變并無明顯變化，說明這一參數(shù)不會對噴層溫度產(chǎn)生明顯影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的環(huán)向應(yīng)力隨著線膨脹系數(shù)的增大而增大，并呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。其中，拱頂部位全部表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而拱腰和拱肩則表現(xiàn)出由壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的特征。究其原因，主要是支護(hù)結(jié)構(gòu)線膨脹系數(shù)的增大會導(dǎo)致噴層內(nèi)部張力的明顯增加。由此可見，較大的線膨脹系數(shù)不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此，在滿足相關(guān)要求的前提下，高巖溫輸水隧洞施工中應(yīng)該盡量選取線膨脹系數(shù)小的施工材料。

圖1 噴層溫度隨線膨脹系數(shù)的變化曲線

圖2 噴層環(huán)向應(yīng)力隨線膨脹系數(shù)的變化曲線

3.2 導(dǎo)熱系數(shù)的影響

利用模型對輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同導(dǎo)熱系數(shù)條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層溫度和應(yīng)力的大小進(jìn)行數(shù)值模擬計算，結(jié)果見圖3和圖4。由計算結(jié)果可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的導(dǎo)熱系數(shù)會影響噴層溫度，兩者之間呈近似拋物線關(guān)系，但是隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層導(dǎo)熱系數(shù)的增大，噴層的外側(cè)溫度有一定增大，而內(nèi)側(cè)溫度降低比較明顯。支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的導(dǎo)熱系數(shù)也會影響噴層的環(huán)向應(yīng)力，兩者之間的變化也呈近似拋物線關(guān)系，具體而言，隨著噴層導(dǎo)熱系數(shù)的增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)各個部位均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，并且不斷減小。究其原因，主要是導(dǎo)熱系數(shù)的增大有利于溫度應(yīng)力的釋放，進(jìn)而造成總應(yīng)力的改變。總之，較大的導(dǎo)熱系數(shù)有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在滿足相關(guān)要求的前提下，高巖溫輸水隧洞施工中應(yīng)該盡量選取導(dǎo)熱系數(shù)大的施工材料。

圖3 噴層溫度隨導(dǎo)熱系數(shù)的變化曲線

3.3 比熱的影響

利用模型對輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同比熱條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層溫度和應(yīng)力的大小進(jìn)行數(shù)值模擬計算，結(jié)果見圖5和圖6。由計算結(jié)果可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的比熱不會對噴層溫度和環(huán)向應(yīng)力造成明顯影響。究其原因，主要是材料比熱的大小對自身的影響極為有限。

圖5 噴層溫度隨比熱的變化曲線

圖6 噴層環(huán)向應(yīng)力隨比熱的變化曲線

3.4 對流換熱系數(shù)的影響

利用模型對輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同對流系數(shù)條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層溫度和應(yīng)力的大小進(jìn)行數(shù)值模擬計算，結(jié)果見圖7和圖8。由計算結(jié)果可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的對流換熱系數(shù)會影響噴層溫度和環(huán)向應(yīng)力，并且均呈現(xiàn)出近似的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。具體而言，隨著噴層對流換熱系數(shù)的增大，噴層溫度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，而支護(hù)結(jié)構(gòu)各個部位均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，并且不斷增加。因此，在滿足相關(guān)要求的前提下，高巖溫輸水隧洞施工中應(yīng)將對流換熱系數(shù)限制在一個比較合理的范圍內(nèi)。

圖7 噴層溫度隨對流換熱系數(shù)的變化曲線

圖8 噴層環(huán)向應(yīng)力隨對流換熱系數(shù)的變化曲線

3.5 敏感度計算結(jié)果與分析

根據(jù)以上計算成果，利用敏感度計算公式，獲得輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的溫度和應(yīng)力與各個熱力學(xué)參數(shù)之間的具體函數(shù)關(guān)系(見表2)。由表2可知，噴層溫度和環(huán)向應(yīng)力對不同熱力學(xué)參數(shù)的敏感度明顯不同。根據(jù)敏感度的定義，敏感度小于0.06的參數(shù)為不敏感參數(shù)，因此，噴層比熱為不敏感參數(shù)，其余三個參數(shù)為敏感參數(shù)，并且線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響更為顯著。在施工過程中應(yīng)該加強(qiáng)噴層的設(shè)計和施工，盡量選用線膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料。

表2 敏感度計算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以遼寧省觀音閣輸水工程的輸水隧洞高巖溫施工段為工程依托，利用數(shù)值模擬的方法對輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)參數(shù)敏感性進(jìn)行了深入分析，并獲得如下主要結(jié)論：支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的線膨脹系數(shù)不會對噴層溫度產(chǎn)生明顯影響；支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的環(huán)向應(yīng)力隨著線膨脹系數(shù)的增大而增大，并呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系；支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的導(dǎo)熱系數(shù)會影響噴層溫度與環(huán)向應(yīng)力，并且均呈近似拋物線關(guān)系；支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的比熱不會對噴層溫度和環(huán)向應(yīng)力造成明顯影響；支護(hù)結(jié)構(gòu)噴層的對流換熱系數(shù)會影響噴層溫度和環(huán)向應(yīng)力，并且均呈現(xiàn)出近似的對數(shù)函數(shù)關(guān)系；根據(jù)敏感度計算結(jié)果，噴層比熱為不敏感參數(shù)，其余三個參數(shù)為敏感參數(shù)，并且線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響更為顯著。因此，在施工過程中應(yīng)該加強(qiáng)噴層的設(shè)計和施工，盡量選用線膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料。