高地温引水隧洞衬砌受力特性分析和围岩稳定性分析.pdf

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1、分类号：密级：公开学号：2015200910单位代码：10759石河子大学硕士学位论文高地温引水隧洞衬砌受力特性分析和围岩稳定性分析学位申请人王排排指导教师姜海波教授申请学位门类级别工学硕士学科、专业名称水工结构工程研究方向新型水工结构所在学院水利建筑工程学院中国·新疆·石河子2018年5月AnalysisofstresscharacteristicsofliningandstabilityofsurroundingrockofhighgeothermalwaterdiversiontunnelA

2、DissertationSubmittedtoShiheziUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringByWangPai-pai(Hydraulicstructureengineering)DissertationSupervisor:Prof.JiangHai-boMay,2018本文是国家自然科学基金项目“高地温复杂环境下地下洞室岩体时效力学特性和锚固衬砌机理及其性能演化研究”

3、的部分研究成果（项目编号：51769031）课题主持人：姜海波（石河子大学）石河子大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明本人所呈交的学位论文是在我导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示谢意。研究生签名：时间：年月日使用授权声明本人完全了解石河子大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或指定机构送

4、交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文在学校图书馆保存并允许被查阅。有权自行或许可他人将学位论文编入有关数据库提供检索服务。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。研究生签名：时间：年月日导师签名：时间：年月日摘要为了研究高地温引水隧洞受力特性与围岩稳定性，本文以新疆某水电站高地温引水隧洞工程为依托，采用现场监测、理论分析、数值模拟等研究手段，对高地温引水隧洞不同工况下温度场、温度应力、结构应力与耦合应力的分布规律以及围岩安全系数与围岩加固厚度的影响因素进行了系统分析

5、，主要工作与结论如下：（1）通过现场监测试验，对不同工况下围岩以及支护结构的温度与支护结构的温度应力进行了分析。施工期由于通风作用，洞室温度有所降低；运行期由于过水温度（4℃）较低，且水的比热大于空气比热，使得衬砌和洞壁处温度显著降低，围岩内部各测点临近探头之间温差达到15℃；检修期通风使得温度有所回升。在运行期衬砌最大环向温度拉应力达到了3.5MPa。（2）利用弹性力学知识分析围岩与衬砌支护结构的受力特性，通过分析得出：弹性模量对温度应力的影响较大，线膨胀系数对温度应力的影响较小；原始围岩在没有

6、其他影响因素的情况下，开挖以后的应力重分布范围在8m之内，在温度的影响下，温差产生的一部分拉应力抵消了围岩产生的压应力，促使围岩应力重分布分范围减小至6m；对于衬砌支护结构而言，水压力和围岩压力产生的压应力可消除一部分温差产生的拉应力；通过对比衬砌支护结构解析解与现场监测的温度应力最大值，衬砌最大温度应力在1.1～1.8MPa，证明解析值与监测结果有很好的一致性。（3）基于莫尔-库伦屈服准则，推出在极限平衡条件下的围岩安全系数，分析了不同初始岩温、不同洞室埋深和不同压力水头下围岩安全系数以及围岩加

7、固厚度。在各工况下，初始岩温和洞室埋深对围岩安全系数的影响较大，压力水头影响较小；围岩初始温度越大，围岩安全系数越小，围岩应力极限平衡点离洞轴线的距离越远，围岩加固范围也越大；埋深越大，围岩安全系数越小，但围岩应力极限平衡点离洞轴线的距离和围岩加固范围随着埋深的增大几乎没有变化；不同压力水头对围岩安全系数和应力极限平衡点的位置影响较小。（4）通过数值模拟分析了不同工况下衬砌支护结构温度应力分布规律。在施工期，为了减小温度应力应当采取适当措施，降低衬砌内外侧温差，避免裂缝的产生；运行期由于过水温度低

8、，防止发生应力突变，应逐渐增大过水流量；在没有过水前，支护结构环向应力均为压应力，过水后出现拉应力；在第一次过水时，由于过水时间持续较短，拉应力值增加较小，左边墙约0.5MPa；在二次过水后，由于过水持续时间较长，拉应力增加较大，拉应力值增大1.1MPa；对于同等强度的衬砌断面来说，拱顶和拱腰部位最可能出现应力最大值，所以拱顶和拱腰位置的混凝土强度可以适当提高。采用有限元数值分析方法对引水隧洞在高温情况下的温度应力进行了模拟研究，将计算结果与监测结果进行了对比，结果表明：数值模拟的