齊熱電站高地溫引水隧洞熱-結構耦合分析

王保東，于可忱

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

隨著我國西部開發戰略的實施，大量工程建設在新疆山地高原地區展開，齊熱哈塔爾水電站作為其中水利水電工程建設的標志性項目，能有效緩解喀什及南疆地區供電緊張狀況，促進地區經濟社會發展，顯著提高人民生活水平。

齊熱水電工程引水發電隧洞長15.64km，隧洞最大埋深1720m，洞徑4.7m，樁號6+900～10+990 與樁號Y7+010～Y10+355 區間處于高地溫洞段，爆破后掌子面巖石表面實測溫度最高達到119℃，并伴有高壓高溫（147℃）氣體噴出，隧洞空氣溫度超過60℃。趙國斌等認為該地區具有較好的熱流背景值，且巖體完整，裂隙不發育使得地下水循環較差，能形成較好的儲熱體造成高地熱現象。由于隧道埋深較大，裸洞情況下高地應力多造成巖爆現象，使得洞壁巖石剝落、掉塊，影響工程安全。運行期間，隧洞過水時溫度較低，圍巖在溫度荷載作用下會產生較大的拉應力，使原來發生巖爆經應力重分布達到穩定狀態的巖體再次失穩、剝落。

本文基于齊熱水電工程引水發電隧洞工程實踐，采用有限元分析軟件，考慮高地溫隧道襯砌工程的熱-結構耦合關系，探討了襯砌結構在溫度場影響下的應力演化，并進行相關配筋計算分析，為相關工程實踐提供參考，具有理論意義和實際價值。

1 模型建立

1.1 模型參數設定

針對齊熱水電站引水隧洞穿越高地溫、高地應力地層現狀，建立ANSYS 有限元模型，模型基本假定如下：

（1）假定圍巖為均質的各向同性巖體；

（2）假定混凝土襯砌之前，圍巖地應力已經充分釋放。

計算模型見圖1，為避免周邊圍巖約束對隧洞計算結果的影響，隧洞四周可取5 倍洞徑以上，左右兩側約束水平位移，上下兩側約束垂直位移。

圖1 隧道模型及襯砌結構

隧洞高溫洞段主要以Ⅲ類圍巖為主，隧洞開挖斷面為圓形，直徑590cm，開挖后噴涂聚氨酯硬質泡沫隔熱材料，厚度10cm，后進行鋼筋混凝土襯砌支護，襯砌厚度50cm。隧道圍巖巖體主要物理力學參數值見表1。

表1 隧道圍巖物理力學參數

1.2 工況設計

設定圍巖外邊界溫度為90℃，同時對襯砌結構進行配筋計算，設計如下：

（1）不噴涂隔熱材料：隧洞開挖后持續通風30 天，洞內空氣溫度降低至45℃，后進行襯砌結構澆筑，30天后進行隧洞通水，水溫10℃；

（2）噴涂隔熱材料：隧洞開挖后噴涂聚氨酯硬質泡沫10cm，持續通風30 天，洞內空氣溫度降低至25℃，后進行襯砌結構澆筑，30 天后進行隧洞通水，水溫10℃。

2 模擬結果與分析

2.1 襯砌應力演化及分析

通水運行后隧洞內襯砌應力演化分布如圖2，在不噴射隔熱涂層條件下襯砌應力由內向外逐漸減小，環向分布均勻。通水運行使襯砌結構表面溫度驟降，襯砌結構產生顯著的溫降荷載，全斷面產生環向拉應力；通水運行30 天后，水流對隧道襯砌層的影響逐漸深入且穩定，溫度卸載引起的襯砌應力向外擴展顯著；襯砌結構整體運行期間全斷面環向應力超過混凝土溫度應力允許值1.587MPa，嚴重影響工程安全。噴射隔熱涂層后隧道溫度逐漸降低并穩定，通水后襯砌結構內外溫度梯度較小，溫度卸載引起的襯砌應力也較小；通水運行1 天后襯砌結構頂部和底部的內側出現局部拉應力集中，超過混凝土溫度應力允許值1.587MPa 的截面高度不足襯砌結構高度的十分之一，不影響襯砌結構的安全和穩定；運行30 天后，水流溫度影響半徑增加，襯砌結構溫度差異進一步減小，降溫卸載造成的襯砌應力最小。

圖2 通水后隧道襯砌應力分布圖

襯砌結構內外側在通水運行前5 天受溫度卸載影響較大，襯砌應力急劇變化，如圖3，不噴隔熱涂層條件下襯砌外側應力增至6.04MPa，占運行前30 天應力增量的93%，后期運行期間，襯砌結構溫度基本穩定，應力變化較小。通水運行之初襯砌內側溫度梯度及降溫卸載應力最大，運行30 天后襯砌結構內側溫度梯度與應力逐漸穩定；襯砌結構外層溫度梯度和卸載應力隨通水運行時長的增加而升高，不噴射隔熱涂層條件外側下襯砌應力逐漸由3.41MPa 增加至6.49MPa；噴射隔熱涂層將會顯著降低隧道溫度，使通水前后溫度梯度與卸載應力較小，如噴射隔熱涂層的襯砌結構內側首次通水運行時應力僅2.23MPa，是不噴射條件下的1/5。

圖3 襯砌結構內外部應力演化

不同通水運行期襯砌結構主應力演化如圖4，不噴射隔熱涂層時襯砌結構的最大主應力為10.7MPa，噴射隔熱涂層后襯砌結構得最大主應力僅2.23MPa，且在通水30 天后降低至0.74MPa。巖體應力差越大，產生的剪切應力越大，越容易產生變形破壞。不噴射隔熱涂層時襯砌結構的最大應力差高達11.6MPa，而噴射后隧道襯砌結構的最大應力差僅3.6MPa，是前者的1/3。

圖4 襯砌結構主應力演化

2.2 襯砌配筋及分析

襯砌結構在未噴射隔熱涂層條件下通水運行30天后總應力發展至最大，超過混凝土溫度應力允許1.587MPa，襯砌結構全斷面環向受拉，故需要配置大量鋼筋以保證襯砌結構的安全。在噴射隔熱涂層條件下通水運行1 天后，襯砌結構總應力最大，然而襯砌結構洞底和洞腰部位合力為負是壓力，即襯砌結構整體處以壓應力狀態，且壓應力相對較小，遠未達到混凝土的破壞條件，按照構造配筋即能滿足襯砌結構設計要求。

隧道襯砌結構的配筋計算見表2，在未噴射隔熱涂層條件下最大合力達8673.5KN，按鋼筋300MPa 的抗拉強度及1.2 的安全系數計算，需配置10φ36+10φ32 才能保證襯砌結構的安全，考慮到工程經濟性和施工效率，是不可行的。噴射隔熱涂層后能較好的控制隧洞溫度，使得襯砌結構降溫卸載應力較小，最大合力僅為89.6KN，且為環向受壓，均在混凝土溫度應力允許值以內，構造配筋即可滿足設計要求，既保證工程安全，又經濟高效。

表2 引水隧洞襯砌結構配筋計算表

3 結論

本文基于齊熱水電工程，運用有限元模擬進行引水隧洞襯砌工程的熱-結構耦合，研究結論如下：

隔熱涂層能極大改善隧洞內的高地溫現象，使襯砌結構在通水運行期間的降溫卸載效應減弱，通水運行30 天內，最大襯砌主應力逐漸由2.23MPa 降低至0.74MPa，僅為未噴涂前的1/5。

高地溫圍巖中，不噴涂隔熱材料的襯砌結構在通水運行期間產生較大的環向應力，襯砌結構全斷面受拉且超過混凝土應力允許值1.587MPa，不利于結構穩定；噴涂后襯砌結構應力顯著減小，在結構建設要求的安全范圍內。

隧洞襯砌結構在未噴射隔熱涂層條件下需要進行大量配筋才能滿足設計要求，不符合工程建設的經濟高效原則；噴射隔熱涂層后僅需構造配筋即可滿足工程設計要求，是更合理可行的施工方案。