貊祖國(guó)

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(kāi)采深度的增加，比較棘手的技術(shù)難題將越來(lái)越突出，比如高地壓、高地溫和高滲透壓等問(wèn)題。高地溫作為水工地下工程的不利條件，必將嚴(yán)重影響工程的施工進(jìn)度和結(jié)構(gòu)安全。鑒于此，高地溫條件也成為了當(dāng)今學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

杜守繼等[1]通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)高溫環(huán)境下花崗巖和砂巖的力學(xué)特性進(jìn)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(duì)高溫、高壓和滲流耦合作用下軟巖的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。楊德源等[3]采用解析方法，求解了一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，得到任意時(shí)刻及任意深度的圍巖溫度。張樹(shù)光[4]通過(guò)研究得出不考慮滲流作用下，地下洞室圍巖溫度場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)特性，通風(fēng)條件并不會(huì)改變其對(duì)稱(chēng)分布特性，考慮滲流作用會(huì)影響溫度場(chǎng)對(duì)稱(chēng)特性。

以上述為代表的學(xué)者們對(duì)高地溫條件下相關(guān)內(nèi)容做了卓有成效的研究，推動(dòng)了高地溫條件下水工隧洞圍巖熱力學(xué)特性的研究進(jìn)展。對(duì)高地溫隧洞的研究，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是最直接、最具代表性的。本文依托于新疆某水電站，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)高地溫引水隧洞試驗(yàn)洞進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。擬根據(jù)試驗(yàn)洞不同工況下的溫度場(chǎng)特性表征引水隧洞的溫度場(chǎng)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(qiáng)烈的新老構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和外應(yīng)力作用下，形成多種地貌類(lèi)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(fā)電等綜合效益。工程引水隧洞前段出現(xiàn)高地溫難題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖實(shí)測(cè)，引水發(fā)電隧洞圍巖鉆孔內(nèi)溫度最值高達(dá)105℃，該高地溫在國(guó)內(nèi)外均屬罕見(jiàn)。經(jīng)相關(guān)研究[5]可知，該引水隧洞高地溫的產(chǎn)生是地質(zhì)不均一造成的。石英片巖夾石墨片巖這一特殊巖質(zhì)使得巖石導(dǎo)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(yàn)布設(shè)

2.1 試驗(yàn)方案

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

2.2 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)布設(shè)

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔溫度數(shù)據(jù)顯示圍巖溫度最高可達(dá)105℃，故現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)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(shí)做防水處理。溫度采集使用探頭裝置，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置4個(gè)測(cè)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(jù)試驗(yàn)洞方案中襯砌的布置特點(diǎn)，將測(cè)溫設(shè)備布設(shè)于各襯砌段中部腰拱部位，掛網(wǎng)噴層襯砌溫度監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)于掌子面中心，見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)布設(shè)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)洞溫度監(jiān)測(cè)分為施工期和通水運(yùn)行期。圖中點(diǎn)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(cè)溫裝置所在的位置。

3.1 施工期

通過(guò)對(duì)圖2分析可得圍巖施工期溫度的變化特點(diǎn)：

（1）相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的4個(gè)測(cè)溫探頭所測(cè)得圍巖溫度變化的趨勢(shì)大致相同，即圍巖內(nèi)部各點(diǎn)在溫度邊界條件變化的影響下，溫度的改變趨勢(shì)相同，具有同升同降特征。

（2）圍巖內(nèi)部各點(diǎn)溫度呈現(xiàn)一定規(guī)律，即圍巖內(nèi)部各點(diǎn)的溫度沿徑向呈現(xiàn)遞增特征。

（3）圍巖內(nèi)部各點(diǎn)溫度自洞口向深部沿試驗(yàn)洞軸線逐漸升高。

為分析施工期各施工步驟對(duì)圍巖溫度場(chǎng)的影響，對(duì)鋼纖維段溫度變化曲線進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3。根據(jù)施工期施工步驟及圍巖溫度變化特征，可將其分4個(gè)階段：開(kāi)挖降溫期、噴層施做升溫期、溫度平穩(wěn)期、溫度降低期。開(kāi)挖降溫期內(nèi)，襯砌未施做，在通風(fēng)散熱的作用下圍巖溫度逐步降低；噴層施做升溫期內(nèi)，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(wěn)期內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)施做完成后，圍巖溫度達(dá)到暫時(shí)平衡；溫度降低期內(nèi)，加強(qiáng)了洞內(nèi)的通風(fēng)，在溫度對(duì)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(yùn)行期

圖4 通水運(yùn)行期圍巖溫度變化圖

由圖4通水運(yùn)行期圍巖溫度變化圖可以看出：

（1）通水運(yùn)行7天內(nèi)，試驗(yàn)洞4個(gè)各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的圍巖溫度變化特征相似；

（2）通水運(yùn)行后，在水溫的影響下，圍巖溫度出現(xiàn)驟降，圍巖溫度場(chǎng)在3天后趨于穩(wěn)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(chǎng)變化特性

高地溫條件下，圍巖溫度場(chǎng)受施工工序、通風(fēng)條件、運(yùn)行通水條件等影響較為顯著。

在施工期內(nèi)，隧洞在通風(fēng)作用下，以對(duì)流換熱為主要導(dǎo)熱方式，圍巖溫度逐漸降低。在工序影響下，圍巖溫度場(chǎng)出現(xiàn)4個(gè)較為典型的階段，各個(gè)階段溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)規(guī)律波動(dòng)。施工期各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值受邊界條件影響下變化趨勢(shì)相似，具有同升同降特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可分析出，圍巖溫度場(chǎng)在洞軸線方向上呈由洞口向深部逐漸上升的規(guī)律。

運(yùn)行通水工況下，由于水溫較低，使得圍巖溫度場(chǎng)出現(xiàn)驟變，圍巖各點(diǎn)溫度驟降，三天后趨于平穩(wěn)。

（2）溫度變化機(jī)理分析

隧洞圍巖溫度場(chǎng)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(kāi)挖巖體溫度初始條件可視為均一條件。受隧洞開(kāi)挖影響，洞周巖體出現(xiàn)臨空面，在人為通風(fēng)條件下，圍巖主要以對(duì)流換熱方式向空氣導(dǎo)熱，其導(dǎo)熱情況受風(fēng)速、風(fēng)溫、邊界平整程度等影響。對(duì)流換熱使得洞壁巖體溫度下降后，其與巖體內(nèi)部將出現(xiàn)溫差。圍巖內(nèi)部將以熱傳導(dǎo)的形式進(jìn)行熱量傳遞。進(jìn)一步地，隧洞圍巖溫度場(chǎng)將不斷發(fā)生變化，在宏觀上表現(xiàn)為圍巖溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。

施做襯砌后，襯砌結(jié)構(gòu)覆蓋了圍巖原有對(duì)流換熱邊界。襯砌結(jié)構(gòu)初始溫度場(chǎng)逐步改變而引起的滯后效應(yīng)、水泥水化熱、混凝土導(dǎo)熱系數(shù)小等因素使得圍巖溫度出現(xiàn)回升。

通水水溫較低，水與襯砌之間對(duì)流換熱系數(shù)較大。此時(shí)，通水后洞壁圍巖溫度驟降，其內(nèi)部大溫差促使熱傳導(dǎo)效應(yīng)增強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為圍巖溫度場(chǎng)迅速變化。

5 結(jié)論

本文依托新疆某水電站，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，研究高地溫引水隧洞的溫度場(chǎng)特性，得到以下結(jié)論：

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

（2）針對(duì)高地溫地下工程，可通過(guò)合理控制施工進(jìn)度、通風(fēng)降溫、保溫復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)等措施降低圍巖及混凝土襯砌受溫度應(yīng)力的影響。