对流-导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析.pdf

1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()兵团区域创新引导计划项目()作者简介:刘泓蔚男助理工程师硕士研究方向为水利水电工程 :.通信作者:姜海波男教授博士博士生导师主要从事多场耦合作用下岩土体多尺度损伤破坏与稳定研究 :.文章编号:()引用本文:刘泓蔚孟尧姜海波.对流 导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析.人民长江():.对流 导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析刘 泓 蔚孟尧姜 海 波(.石河子大学 水利建筑工程学院新疆 石河子 .广东电网有限责任公司 汕尾供电局广东 汕尾.水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院新疆 乌鲁木齐)摘要:寒区水

2、工隧洞在通风条件下产生的温度变化会影响衬砌结构力学性能进而影响水工隧洞的安全运行以新疆布伦口水电站水工隧洞为依托基于现场监测数据采用有限元法对在不同风温、风速下隧洞不同深度处衬砌结构的热学、力学耦合特性进行深入分析 结果表明:不同风温下水工隧洞洞口衬砌温度低于洞内衬砌温度洞口衬砌温度变化幅度大于洞内衬砌温度变化幅度随着通风时间增加一次衬砌与二次衬砌压应力均先减小后增大最大压应力均位于拱腰处不同风速下一次衬砌与二次衬砌最大温差为.沿水工隧洞轴向与径向距离的增加温度逐渐升高风速、风温影响逐渐减小最大温度拉应力位于拱腰一次衬砌为.二次衬砌为.在不同风温和不同风速下一次衬砌与二次衬砌位移均呈水平收缩、

3、竖直隆起趋势 研究成果可为寒区水工隧洞衬砌优化设计提供理论参考关 键 词:衬砌结构 水工隧洞 对流 导热 热力耦合 布伦口水电站 寒区中图法分类号:文献标志码:./.引 言中国常年冻土、冰川以及季节积雪区等寒区地带约占中国陆地面积的.在“双碳”目标及大力发展“抽水蓄能”等政策的指引下中国寒区水利水电工程的发展迎来新的阶段 衬砌冻害已成为影响寒区水工隧洞安全运行的重要问题 在通风条件下水工隧洞与外部发生对流热交换使得衬砌热力学性质发生改变严重影响其安全运行 针对衬砌热力学问题前人已取得部分研究成果包括对隧洞与风流换热的换热系数、围岩衬砌结构导热系数的研究 对寒区隧洞温度场的相关研究 分析温度变化

4、下衬砌结构刚度和抗压强度变化情况 以及对围岩、衬砌结构进行应力分析等 但上述研究多数只考虑了温度、应力、位移某一因素的影响对于多场耦合的研究较少 寒区水工隧洞现场实际情况更为复杂因此在上述研究的基础上本文以新疆布伦口水电站水工隧洞为背景以 本构模型及对流 导热耦合模型为基础利用水工隧洞衬砌结构温度监测所得数据采用 有限元软件进行仿真计算 计算过程中以间接耦合方式对不同风温、风速工况下衬砌结构的温度、应力、位移耦合情况及其变化规律进行深入分析探究其变化规律及特性研究成果可为寒区水工隧洞衬砌结构优化设计提供理论参考 水工隧洞温度特征监测分析.工程概况及现场监测方案新疆布伦口水电站位于季节性冻土区其

5、水工隧 人 民 长 江 年洞已处于运行通风期全长.隧址区全年温差较大最低气温 .最高气温.绝对温差.冬季平均温度.当地河流常年平均初冻期在 月底最晚解冰期在 月初平均封冻天数为 历史记录冰期最长 测得当地平均风速./西风 工程周边最大积雪厚度 最大冻结深度 通过对该电站水工隧洞温度进行监测分析得到水工隧洞衬砌结构壁面温度及周边围岩的平均温度为 该电站及水工隧洞所在地层为第四系未见明显层理变化地质构造好水工隧洞的围岩完整性较好 隧洞上部埋深厚度为 周围围岩中仅含少量上层滞水分布范围小洞内围岩、衬砌结构内含水量较少可以忽略其对温度、应力、位移等情况的影响为研究寒区水工隧洞衬砌结构热力耦合特性在、月

6、对水工隧洞周围大气温度以及水工隧洞内部衬砌结构壁面温度使用温度记录仪进行监测 监测中发现该水工隧洞进出口部位易发生冻害因此主要对其进出口段进行监测 监测对象为距离洞口 范围内以 距离为基准将其均分成 个监测区间取各区间中点作为监测断面其中一次衬砌厚度为.二次衬砌厚度为.监测示意图见图 测量、月每日:、:、:、:四个时间的一次衬砌与二次衬砌温度值得其日平均气温继而得到、月平均气温见表 图 隧洞衬砌温度监测横向布置(尺寸单位:).图 隧洞衬砌温度监测径向布置.表 洞壁一次衬砌与二次衬砌温度监测数据.编号距离/一次衬砌温度/二次衬砌温度/.隧洞衬砌结构温度演化规律对监测数据进行分析可知:洞内一次衬砌

7、与二次衬砌温度随洞深度的增加而逐渐升高洞中衬砌温度高于洞口衬砌二次衬砌温度低于一次衬砌 洞内距离从 深入到 时一次衬砌温度升高.升高幅度.从 深入到 时一次衬砌温度升高.升高幅度.从 深入到 时一次衬砌温度升高.升高幅度.二次衬砌对应位置温度升高幅度分别为.、.、.综上可知随着往洞内距离的增大衬砌温度升高幅度逐渐降低 模型建立及计算条件.寒区水工隧洞对流 导热作用模型的建立空气与水工隧洞衬砌结构接触发生对流换热两种衬砌结构之间、衬砌与围岩之间因存在温度差也发生热传导继而影响其温度场分布 对此本文建立对流 导热耦合模型 文中空气与衬砌结构壁面发生自然对流热传递使用牛顿冷却定律来描述:()()式中

8、:为热流密度/为物质的对流换热系数/()为物体的壁面温度为介质的平均气温衬砌结构之间及衬砌和围岩之间的导热可用傅立叶热传导定律来描述:(/)()式中:为热 流 密 度/为 材 料 导 热 系 数/()因此对流 导热耦合模型公式可描述为(/)()()本次计算模型为 的立方体三维模型水工隧洞围岩半径为 一次衬砌和二次衬砌厚度分别为.因温度作用施加对水工 第 期 刘泓蔚等:对流 导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析隧洞衬砌结构的影响时间较长为方便后续结果分析温度取某年 月至次年 月共 个月 的温度值每 温度取一个均值共 个温度荷载进行叠加作用在水工隧洞内衬砌面和水工隧洞进出口断面上分析水工隧洞的热

9、力耦合特性 对该计算模型底部约束、方向自由度对前后约束 方向自由度对左右约束 方向自由度围岩及一次衬砌、二次衬砌绑定约束施加载荷为自身重力及水工隧洞上部埋深压力 分析采用 六面体单元因研究部位主要为衬砌结构及其周边围岩故对水工隧洞围岩周边、衬砌结构进行加密网格单元划分计算模型见图 模型网格划分见图 围岩划分 个单元一次衬砌划分 个单元二次衬砌划分 个单元共 个单元图 数值计算模型.图 模型网格划分.计算参数及边界条件由工程现场监测数据可知衬砌、围岩及周边岩体平均温度为 风流平均温度为 隧洞外迎风面及隧洞内部衬砌壁面为通风边界与风流进行对流换热因此迎风面及洞内采用变化温度、对流换热边界条件 通风

10、初始温度为 隧洞外壁围岩侧面为绝热边界设置恒温 由文献可知对流换热系数 的值在风速为 /时分别对应为./()为避免埋深影响本次计算取最大埋深 本文研究内容为受不同通风温度、风速影响的水工隧洞衬砌热力耦合为控制变量在计算中作以下假定:围岩自身及周围土体和衬砌结构性质相同且分布均匀、连续、各向同性其换热条件各方向均相同不随方向变化而改变 进行换热的风流是连续、均匀、稳定的风速大小沿途不变热力耦合是指衬砌结构温度场与应力场的耦合 衬砌温度变化会改变衬砌力学性质而衬砌力学性质的改变又会影响衬砌的热学性质如导热系数等进而温度场又发生变化 由文献可知在弹性范围内热学和力学性质两者交互作用影响较小因此本文计

11、算过程采用间接耦合即采取先进行温度场分析再将温度场分析结果代入进行应力场分析的方式水工隧洞围岩及一次衬砌与二次衬砌的热学、力学参数如下:围岩弹性模量为.泊松比为.密 度 为 ./导 热 系 数 为./()比热为./()热膨胀系数为.内摩擦角为 黏聚力为.衬砌均为混凝土材料其中一次衬砌弹性模量为.泊松比为.密度为 ./导热系数为./()比热为./()热膨胀系数为.二次衬砌弹性模量为.泊松比为.密度为 ./导热系数为./()比热为./()热膨胀系数为.数值模拟结果分析.对流 导热作用下的温度场模拟分析图 为风速/时不同通风天数下深入洞内 处和深入洞内 处衬砌温度图 图 为洞口位置一、二次衬砌瞬态温

12、度场云图 可以发现:通风 时洞口与洞中的一、二次衬砌温度均先降低后升高 洞口衬砌温度低于洞内衬砌温度一次衬砌温差最大为.二次衬砌温差最大为.衬砌温度低于 的时间在 左右 在 后二次衬砌温度高于一次衬砌这是由于 月以后气温回升且二次衬砌与空气直接接触导致 通风 时洞口位置衬砌温差最大为.洞内位置衬砌温差最大为.一、二次衬砌洞口位置的温度变化幅度均大于洞内位置温度变化幅度洞口一、二次衬砌温度低于洞中一、二次衬砌温度图 为风速 /时洞内 处的衬砌温度点线图 可以发现:洞口温度受不同风速影响明显深入洞内随距离的增加风速的影响逐渐减小温度逐渐升高 风速由 /增至 /时对流换热效应增强同一位置的温度逐渐降

13、低一次衬砌与 人 民 长 江 年图 洞口、洞中位置衬砌温度.二次衬砌温差逐渐变大最大为.风速 /时洞内距离从 深入到 一次衬砌温度升高.升高幅度为.从 深入到 一次衬砌温度升高.升高幅度.从 深入到 一次衬砌温度升高.升高幅度.二次衬砌对应位置升高幅度分别为.、.、.综上可知:随着深入洞内距离的增大衬砌温度升高幅度逐渐降低 二次衬砌温度低于一次衬砌表明随着洞内深入距离的增加对流换热效应在减弱 以上结论与工程监测分析情况基本吻合.同一风速不同时间下温度 应力耦合分析该水工隧洞进出口部分易发生冻害从前文温度场分析结论可知隧洞洞口位置温度变化更为显著因此选取深入洞内 位置进行衬砌的温度 应力耦合分析

14、表 为风速 /时在不同通风时间下一、二次衬砌的最大主应力与最小主应力值 其中正值为拉应力负值为压应力 可以发现:最大压应力值位于拱腰其中一次衬砌为.二次衬砌为.均为最小主应力 随着通风时间增加一次衬砌与二次衬砌的最大主应力与最小主应力均呈先减小后增大的变化趋势与前文温度变化呈正相关 由文献可知这是由于温度变化产生温度拉应力抵消了围岩和衬砌受到的部分压应力且洞口围岩产生塑性应变应力通过塑性应变得到释放造成其所受压应力减小一次衬砌最大主应力与最小主应力差值最大为.二次衬砌最大主应力与最小主应力差值最大为.均位于拱腰.同一风速不同时间下温度 位移耦合分析图 为风速 /时不同通风时间下一次衬砌与二次衬

15、砌温度 位移耦合的位移最大值曲线 可以发现:一次衬砌横向位移最大为.纵向位移最大为.二次衬砌横向位移最大.纵向位移最大.一次衬砌与二次衬砌位移变化表现为横向水平收缩、纵向竖直隆起 这与实际工程中地层上部沉降、下部隆起不一致 这是由于在模拟计算中水工隧洞增加了衬砌结构衬砌刚度较大土体移除使得衬砌有整体上抬变形的趋势且衬砌和围岩间没有经过应力释放导致的 一次、二次衬砌横向位移为先增大后减小纵向位移为先减小后增大 一次衬砌横向位移的最大差值为.纵向位移的最大差值为.二次衬砌横向位移的最大差值为.纵向位移的最大差值为.同一时间不同风速下温度 应力耦合分析取风速 /通风时间 进行分析选取无温度作用时作为

16、对照组 提取计算结果数据得到表 可以发现:同一时间下随着风速增加一、二次衬砌主应力均逐渐减小 对比对照组风速由/增至 /一次衬砌最大主应力最小值分别减小.二次衬砌对应分别减小.图 不同风速下隧洞进口 处一次衬砌与二次衬砌径向温度云图(单位:).第 期 刘泓蔚等:对流 导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析图 不同位置不同风速下衬砌温度曲线.表 不同通风天数下一次衬砌与二次衬砌的应力值.通风时间/一次衬砌最大主应力/一次衬砌最小主应力/二次衬砌最大主应力/二次衬砌最小主应力/拱顶拱腰拱底拱顶拱腰拱底拱顶拱腰拱底拱顶拱腰拱底.图 /时一、二次衬砌位移最大值./表 不同风速下一次衬砌与二次衬砌应力值

17、.风速/()一次衬砌最大主应力/一次衬砌最小主应力/二次衬砌最大主应力/二次衬砌最小主应力/最大最小最大最小最大最小最大最小对照组.由前文可知风速增加使对流换热效应增强温度拉应力逐渐增大衬砌受到的部分压应力被抵消其压应力减小幅度随风速增加逐渐降低 产生的最大温度拉应力位于拱腰一次衬砌处为.二次衬砌处为.为最小主应力一次衬砌的最大主应力与最小主应力无明显变化由前文温度场分析结论和文献可知水工隧洞的径向温度变化幅度随着径向距离的增加而减小产生的温度应力不足以使一次衬砌应力发生明显的变化.同一时间不同风速下温度 位移耦合分析图 为风速/且时间为 时的一、二次衬砌位移最大值曲线 分析可知:受温度影响一

18、次衬砌横向位移最大变化为.纵向位移最大变化为.二次衬砌横向位移最大变化为.纵向位移最大变化为.随着风速增加一次衬砌与二次衬砌横向位移略微减小一次衬砌与二次衬砌纵向位移逐渐减小后趋于稳定 在相同风速下二次衬砌的纵向位移变化幅度大于一次衬砌纵向位移变化幅度 这是由于二次衬砌直接与空气接触二次衬砌对流换热效应强于一次衬砌增强了温度 位移耦合的作用从而产生上述变化图 不同风速衬砌位移最大值.结 论()通风 时长内洞口衬砌温度变化幅度大于洞内衬砌温度变化幅度洞口温度低于洞内温度一次衬砌温度差值最大为.二次衬砌为.不同风速时随着洞内轴向、径向距离的深入风速、风温的影响逐渐减小温度逐渐升高温度变化幅度逐渐减

19、小 随风速增加一次衬砌与二次衬砌温差逐渐变大最大相差.()风速一定时最大应力位于拱腰均为压应 人 民 长 江 年力一次衬砌为 .二次衬砌为 .均为最小主应力 一次衬砌最大横向、纵向位移分别为.二次衬砌最大横向、纵向位移分别为.一、二次衬砌位移呈水平方向收缩、竖直方向隆起趋势()随着风速增加一次衬砌与二次衬砌最大、最小主应力均逐渐减小减小幅度随风速增加逐渐降低产生的最大温度拉应力位于拱腰一次衬砌为.二次衬砌为.均为最小主应力 一次衬砌横向、纵向位移最大变化分别为.二次衬砌横向、纵向位移最大变化分别为.一、二次衬砌位移呈水平方向收缩、竖直方向隆起趋势()在通风条件下寒区水工隧洞衬砌结构的温度场、应

20、力场、位移场均会产生一系列明显的变化 因此在寒区水工隧洞衬砌结构设计施工时应充分考虑以上问题保证水工隧洞的安全、经济运行参考文献:陈仁升康尔泗吴立宗等.中国寒区分布探讨.冰川冻土():.王玉娇.高温矿井巷道围岩与风流换热特性实验研究.西安:西安科技大学.:.:.王群张毅.寒区隧道温度场分布反演及预测分析.现代隧道技术(增):.孟尧姜海波.基于对流 导热耦合模型的寒区水工隧洞围岩温度场分布规律研究.水资源与水工程学报():.:.陈中秋张列.寒区冻融环境下隧道衬砌结构耐久性分析.公路():.皮进曹瑞琅赵宇飞.无粘结环锚预应力混凝土衬砌应力状态分析.人民长江():.陈磊余国祥.高地应力下洞室衬砌裂缝形成机制与防治对策:以白鹤滩水电站为例.人民长江():.孟尧姜海波.基于对流 导热耦合模型的寒区水工隧洞围岩温度 应力耦合分析.水力发电():.李伟李庆杨丹.隧道单层衬砌结构水压力特征研究.现代隧道技术():.韩峰徐磊金永苗.输水隧洞内压作用下衬砌结构破坏分析.人民长江(增):.马永昌.寒区隧道溶洞安全距离及衬砌冻胀影响规律研究.中国安全生产科学技术():.貊祖国姜海波后雄斌.不同开挖方式下高地温引水隧洞围岩瞬态温度 应力耦合分析.水力发电():.费康彭劼.岩土工程实例详解.北京:人民邮电出版社.(编辑:郑 毅)(.):.: