高地溫試驗洞圍巖溫度現場監測與分析

貊祖國

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著隧洞、電站廠房和地下洞室開采深度的增加，比較棘手的技術難題將越來越突出，比如高地壓、高地溫和高滲透壓等問題。高地溫作為水工地下工程的不利條件，必將嚴重影響工程的施工進度和結構安全。鑒于此，高地溫條件也成為了當今學者的研究熱點。

杜守繼等[1]通過試驗手段對高溫環境下花崗巖和砂巖的力學特性進行了研究，取得了許多有意義的研究成果。曾春雷[2]利用ANSYS有限元軟件對高溫、高壓和滲流耦合作用下軟巖的力學特性進行了研究。楊德源等[3]采用解析方法，求解了一維非穩態導熱微分方程，得到任意時刻及任意深度的圍巖溫度。張樹光[4]通過研究得出不考慮滲流作用下，地下洞室圍巖溫度場呈對稱特性，通風條件并不會改變其對稱分布特性，考慮滲流作用會影響溫度場對稱特性。

以上述為代表的學者們對高地溫條件下相關內容做了卓有成效的研究，推動了高地溫條件下水工隧洞圍巖熱力學特性的研究進展。對高地溫隧洞的研究，現場試驗是最直接、最具代表性的。本文依托于新疆某水電站，采用現場試驗的方法對高地溫引水隧洞試驗洞進行溫度監測。擬根據試驗洞不同工況下的溫度場特性表征引水隧洞的溫度場變化特征。

1 工程概況

新疆某水利工程位于克州昆侖山腹地，在強烈的新老構造運動和外應力作用下，形成多種地貌類型，具有明顯的分帶性。該水利樞紐為大（2）型二等工程，具有灌溉、防洪、發電等綜合效益。工程引水隧洞前段出現高地溫難題。根據現場開挖實測，引水發電隧洞圍巖鉆孔內溫度最值高達105℃，該高地溫在國內外均屬罕見。經相關研究[5]可知，該引水隧洞高地溫的產生是地質不均一造成的。石英片巖夾石墨片巖這一特殊巖質使得巖石導熱率高于一般情況，因此，地層深部的熱量可傳至隧洞，使得該引水隧洞工程溫度異常。

2 試驗布設

2.1 試驗方案

試驗洞選于引水隧洞“發4+530 m、4+550 m”樁號處，位于引水主洞內部，朝向引水隧洞圍巖垂向開挖，試驗洞與引水主洞洞型相同，均為圓形洞，試驗洞徑3 m，長度為11 m。噴錨支護分為3段，其中靠近洞孔側的前3 m采用聚酯纖維混凝土噴層支護，中間3 m采用鋼纖維混凝土噴層支護，后3 m采用混凝土噴層掛網，噴層厚度均為15 cm，錨桿為梅花形間隔布置，長度為1.5 m。

2.2 監測試驗布設

現場鉆孔溫度數據顯示圍巖溫度最高可達105℃，故現場溫度監測試驗需選擇具有耐高溫、防水特性的裝置，采用AD590型溫度傳感器，同時做防水處理。溫度采集使用探頭裝置，各監測點均設置4個測溫探頭，分別位于圍巖0.50 m、1.50 m、2.50 m、3.50 m深度處。根據試驗洞方案中襯砌的布置特點，將測溫設備布設于各襯砌段中部腰拱部位，掛網噴層襯砌溫度監測儀器布設于掌子面中心，見圖1。

圖1 監測試驗布設圖

3 試驗結果及分析

試驗洞溫度監測分為施工期和通水運行期。圖中點1#、2#、3#、4#分別為位于圍巖 3.50 m、2.50 m、1.50 m、0.50 m 深度處的測溫裝置所在的位置。

3.1 施工期

通過對圖2分析可得圍巖施工期溫度的變化特點：

（1）相同監測點的4個測溫探頭所測得圍巖溫度變化的趨勢大致相同，即圍巖內部各點在溫度邊界條件變化的影響下，溫度的改變趨勢相同，具有同升同降特征。

（2）圍巖內部各點溫度呈現一定規律，即圍巖內部各點的溫度沿徑向呈現遞增特征。

（3）圍巖內部各點溫度自洞口向深部沿試驗洞軸線逐漸升高。

為分析施工期各施工步驟對圍巖溫度場的影響，對鋼纖維段溫度變化曲線進行分析，見圖3。根據施工期施工步驟及圍巖溫度變化特征，可將其分4個階段：開挖降溫期、噴層施做升溫期、溫度平穩期、溫度降低期。開挖降溫期內，襯砌未施做，在通風散熱的作用下圍巖溫度逐步降低；噴層施做升溫期內，噴層襯砌的施做使得圍巖散熱邊界改變，圍巖溫度逐漸升高；溫度平穩期內，襯砌結構施做完成后，圍巖溫度達到暫時平衡；溫度降低期內，加強了洞內的通風，在溫度對流邊界改變的影響之下，圍巖溫度下降。

圖3 施工期鋼纖維噴層段溫度變化圖

3.2 通水運行期

圖4 通水運行期圍巖溫度變化圖

由圖4通水運行期圍巖溫度變化圖可以看出：

（1）通水運行7天內，試驗洞4個各測點監測的圍巖溫度變化特征相似；

（2）通水運行后，在水溫的影響下，圍巖溫度出現驟降，圍巖溫度場在3天后趨于穩定；

（3）因毛洞段未施做襯砌，在滲水作用下該段圍巖溫度較其余部分低。

4 討論

（1）溫度場變化特性

高地溫條件下，圍巖溫度場受施工工序、通風條件、運行通水條件等影響較為顯著。

在施工期內，隧洞在通風作用下，以對流換熱為主要導熱方式，圍巖溫度逐漸降低。在工序影響下，圍巖溫度場出現4個較為典型的階段，各個階段溫度場動態規律波動。施工期各監測點溫度值受邊界條件影響下變化趨勢相似，具有同升同降特點。根據實測數據可分析出，圍巖溫度場在洞軸線方向上呈由洞口向深部逐漸上升的規律。

運行通水工況下，由于水溫較低，使得圍巖溫度場出現驟變，圍巖各點溫度驟降，三天后趨于平穩。

（2）溫度變化機理分析

隧洞圍巖溫度場變化特征取決于其初始邊界條件及邊界條件的變化。高地溫條件下，未開挖巖體溫度初始條件可視為均一條件。受隧洞開挖影響，洞周巖體出現臨空面，在人為通風條件下，圍巖主要以對流換熱方式向空氣導熱，其導熱情況受風速、風溫、邊界平整程度等影響。對流換熱使得洞壁巖體溫度下降后，其與巖體內部將出現溫差。圍巖內部將以熱傳導的形式進行熱量傳遞。進一步地，隧洞圍巖溫度場將不斷發生變化，在宏觀上表現為圍巖溫度場的動態變化。

施做襯砌后，襯砌結構覆蓋了圍巖原有對流換熱邊界。襯砌結構初始溫度場逐步改變而引起的滯后效應、水泥水化熱、混凝土導熱系數小等因素使得圍巖溫度出現回升。

通水水溫較低，水與襯砌之間對流換熱系數較大。此時，通水后洞壁圍巖溫度驟降，其內部大溫差促使熱傳導效應增強，宏觀上表現為圍巖溫度場迅速變化。

5 結論

本文依托新疆某水電站，采用現場試驗的方法，研究高地溫引水隧洞的溫度場特性，得到以下結論：

（1）隧洞溫度場分布特性為：高地溫條件下，圍巖溫度場受施工工序、通風條件、運行通水條件等影響較為顯著。

（2）針對高地溫地下工程，可通過合理控制施工進度、通風降溫、保溫復合襯砌結構等措施降低圍巖及混凝土襯砌受溫度應力的影響。