摘要：为研究水工隧洞在高地温庞大情况下喷层结构的受力特性,以新疆某高地温引水隧洞为依托,接纳理论分析和数值模拟的方法,对高地温引水隧洞喷层结构的受力特性举行了研究,并分析了线膨胀系数、围岩差别深度温差以及地应力水平侧压力系数对隧洞喷层结构受力特性的影响。由盘算效果可知:在高地温情况下,理论盘算的径向压应力最大值为2.07 MPa,环向压应力最大值为35.37 MPa;数值模拟的径向压应力最大值为4.36 MPa,环向压应力最大值为34.37 MPa。通过对比发现:理论盘算的径向位移最大值为1.2 mm,环向位移最大值为0.75 mm;数值模拟的径向位移最大值为2.1 mm,环向位移最大值为0.95 mm。
数值模拟的效果讲明:隧洞围岩喷层结构蒙受的应力随着线膨胀系数增加会增大;喷层的拱顶与拱底处蒙受的环向应力随着温差的增加会增大,喷层的拱腰处蒙受的环向应力随着温差的增加会减小;喷层结构蒙受的应力随着地应力水平侧压力系数的增加会增大。关键词：高地温; 水工隧洞; 喷层结构; 承载特性; 应力;作者简介： 张梦婷(1994—),女,硕士研究生,主要从事水工结构的研究。E-mail:zmt_728@163.com; 姜海波(1982—),男,教授,博士,主要从事地下洞室抗冻及稳定性研究事情。
E-mail:klaud_123@163.com;基金： 国家自然科学基金项目(51769031); 石河子大学青年创新人才培育计划(CXRC201804);引用：张梦婷，姜海波． 高地温水工隧洞围岩喷层结构承载特性研究［J］. 水利水电技术，2020，51(2): 113-121.ZHANG Mengting，JIANG Haibo． Study on bearing characteristics of shotcrete layer structure of hydraulic tunnel under high ground temperature［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51(2): 113-121.0 引 言在隧道等巷道工程的施工中,喷射混凝土应用广泛。近些年,大多数学者对巷道喷层混凝土举行了大量研究。史玲在总结喷层传统支护机理的基础上,联合新喷层质料的特殊性能,将传统的支护作用机理重新归纳总结为承载壳作用、胶结作用以及楔子作用。
石明宇等对喷射混凝土过水试验和数值模拟举行了研究,得出了差别温度工况下,混凝土温度场到达稳定状态所需的时间差别的结论。轩敏辉平分析差别厚度的混凝土喷层对隧道施工历程中稳定性的作用,确定了合理的支护参数,并获得混凝土喷层厚度的改变可淘汰隧道变形但对隧道结构受力改变甚微的结论。雷金波等凭据短柱壳力学原理,给出了混凝土喷层可在平面应变条件下举行内力盘算,也可按锥形剪切破坏理论验算其承载能力。
庞建勇、姚传勤、徐磊等通过实际试验联合数值模拟的方法研究聚丙烯纤维混凝土喷层支护的性能,得出了纤维的掺入改变了混凝土质料的性质,使之由“脆性质料”酿成“柔性质料”。在隧道等地下洞室工程开挖的历程中,高地温问题也日益突出。以布伦口水电站引水发电隧洞为研究工具,李湘权平分析了高地温发生的原因,论述了高地温隧洞以通风为主、辅助低温冷水综合降温技术;侯代平在此基础上推荐接纳防火耐热喷层,或纤维混凝土喷层替代通例衬砌方案;刘乃飞等接纳剖析方法研究了该隧洞围岩和支护结构的温度漫衍纪律和受力特性。
李书杰等以娘拥水电站的高地温段引水隧洞为依托,获得增加衬砌厚度可以使衬砌应力减小,且衬砌结构的应力主要由温度场发生的结论。ODA研究了高温作用下岩石的杨氏模量、泊松比等基本力学性质,获得了高温作用下岩石强度和弹性模量的变化影响。
总体而言,在高温地下洞室的研究中,主要集中在施工散热与衬砌稳定两个方面,而针对高温喷层结构承载特性的研究较少。本文在前人研究的基础上,以高地温引水隧洞围岩喷层结构为研究工具,从应力和位移两个方面研究混凝土喷层的承载特性,对隧洞围岩喷层结构的应力与位移举行理论盘算和数值模拟,并对比分析喷层结构的应力与位移的巨细与漫衍,同时盘算分析了线膨胀系数、温差、地应力水平侧压力系数对围岩喷层结构受力特性的影响。1 高地温水工隧洞喷层承载力盘算1.1 盘算模型凭据弹塑性理论,建设围岩喷层结构荷载应力盘算模型。
模型受到的外力简化为上下均布的垂直荷载和左右均布的水平荷载,喷层的外径与隧洞的开挖直径相等(见图1)。喷层荷载应力公式为式中,σcr、σcθ划分为喷层的径向应力、环向应力;r为喷层上任一点的径向坐标;θ为喷层上任一点的环向坐标;A1、A2、…、A6为基本系数,可按文献举行盘算。喷层的位移公式为其中 kc=3-4μc式中,Uc、Vc划分为喷层的径向位移、环向位移;Gc为混凝土的剪切模量;μc为混凝土的泊松比。图1 隧洞围岩喷层荷载应力盘算简图隧洞类似于圆筒长圆柱型,参阅弹塑性力学轴对称圆筒的温度应力公式,建设喷层温度应力盘算模型。
盘算简图如图2所示。喷层温度应力公式为式中,σtρ、σtφ划分为喷层的径向温度应力和环向温度应力;r为喷层上任一点的径向坐标;α为喷层的线膨胀系数;E为喷层的弹性模量;Δt为喷层内外侧的温差;μc为喷层的泊松比;a为喷层的外径;b为喷层的内径。图2 隧洞喷层结构温度应力盘算简图在施工竣事时,由于喷层混凝土的温度上升,且高温的围岩往低温的喷层通报热量,故温度应力。
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