齐热电站高地温引水隧洞热-结构耦合分析

王保东，于可忱

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

随着我国西部开发战略的实施，大量工程建设在新疆山地高原地区展开，齐热哈塔尔水电站作为其中水利水电工程建设的标志性项目，能有效缓解喀什及南疆地区供电紧张状况，促进地区经济社会发展，显著提高人民生活水平。

齐热水电工程引水发电隧洞长15.64km，隧洞最大埋深1720m，洞径4.7m，桩号6+900～10+990 与桩号Y7+010～Y10+355 区间处于高地温洞段，爆破后掌子面岩石表面实测温度最高达到119℃，并伴有高压高温（147℃）气体喷出，隧洞空气温度超过60℃。赵国斌等认为该地区具有较好的热流背景值，且岩体完整，裂隙不发育使得地下水循环较差，能形成较好的储热体造成高地热现象。由于隧道埋深较大，裸洞情况下高地应力多造成岩爆现象，使得洞壁岩石剥落、掉块，影响工程安全。运行期间，隧洞过水时温度较低，围岩在温度荷载作用下会产生较大的拉应力，使原来发生岩爆经应力重分布达到稳定状态的岩体再次失稳、剥落。

本文基于齐热水电工程引水发电隧洞工程实践，采用有限元分析软件，考虑高地温隧道衬砌工程的热-结构耦合关系，探讨了衬砌结构在温度场影响下的应力演化，并进行相关配筋计算分析，为相关工程实践提供参考，具有理论意义和实际价值。

1 模型建立

1.1 模型参数设定

针对齐热水电站引水隧洞穿越高地温、高地应力地层现状，建立ANSYS 有限元模型，模型基本假定如下：

（1）假定围岩为均质的各向同性岩体；

（2）假定混凝土衬砌之前，围岩地应力已经充分释放。

计算模型见图1，为避免周边围岩约束对隧洞计算结果的影响，隧洞四周可取5 倍洞径以上，左右两侧约束水平位移，上下两侧约束垂直位移。

图1 隧道模型及衬砌结构

隧洞高温洞段主要以Ⅲ类围岩为主，隧洞开挖断面为圆形，直径590cm，开挖后喷涂聚氨酯硬质泡沫隔热材料，厚度10cm，后进行钢筋混凝土衬砌支护，衬砌厚度50cm。隧道围岩岩体主要物理力学参数值见表1。

表1 隧道围岩物理力学参数

1.2 工况设计

设定围岩外边界温度为90℃，同时对衬砌结构进行配筋计算，设计如下：

（1）不喷涂隔热材料：隧洞开挖后持续通风30 天，洞内空气温度降低至45℃，后进行衬砌结构浇筑，30天后进行隧洞通水，水温10℃；

（2）喷涂隔热材料：隧洞开挖后喷涂聚氨酯硬质泡沫10cm，持续通风30 天，洞内空气温度降低至25℃，后进行衬砌结构浇筑，30 天后进行隧洞通水，水温10℃。

2 模拟结果与分析

2.1 衬砌应力演化及分析

通水运行后隧洞内衬砌应力演化分布如图2，在不喷射隔热涂层条件下衬砌应力由内向外逐渐减小，环向分布均匀。通水运行使衬砌结构表面温度骤降，衬砌结构产生显著的温降荷载，全断面产生环向拉应力；通水运行30 天后，水流对隧道衬砌层的影响逐渐深入且稳定，温度卸载引起的衬砌应力向外扩展显著；衬砌结构整体运行期间全断面环向应力超过混凝土温度应力允许值1.587MPa，严重影响工程安全。喷射隔热涂层后隧道温度逐渐降低并稳定，通水后衬砌结构内外温度梯度较小，温度卸载引起的衬砌应力也较小；通水运行1 天后衬砌结构顶部和底部的内侧出现局部拉应力集中，超过混凝土温度应力允许值1.587MPa 的截面高度不足衬砌结构高度的十分之一，不影响衬砌结构的安全和稳定；运行30 天后，水流温度影响半径增加，衬砌结构温度差异进一步减小，降温卸载造成的衬砌应力最小。

图2 通水后隧道衬砌应力分布图

衬砌结构内外侧在通水运行前5 天受温度卸载影响较大，衬砌应力急剧变化，如图3，不喷隔热涂层条件下衬砌外侧应力增至6.04MPa，占运行前30 天应力增量的93%，后期运行期间，衬砌结构温度基本稳定，应力变化较小。通水运行之初衬砌内侧温度梯度及降温卸载应力最大，运行30 天后衬砌结构内侧温度梯度与应力逐渐稳定；衬砌结构外层温度梯度和卸载应力随通水运行时长的增加而升高，不喷射隔热涂层条件外侧下衬砌应力逐渐由3.41MPa 增加至6.49MPa；喷射隔热涂层将会显著降低隧道温度，使通水前后温度梯度与卸载应力较小，如喷射隔热涂层的衬砌结构内侧首次通水运行时应力仅2.23MPa，是不喷射条件下的1/5。

图3 衬砌结构内外部应力演化

不同通水运行期衬砌结构主应力演化如图4，不喷射隔热涂层时衬砌结构的最大主应力为10.7MPa，喷射隔热涂层后衬砌结构得最大主应力仅2.23MPa，且在通水30 天后降低至0.74MPa。岩体应力差越大，产生的剪切应力越大，越容易产生变形破坏。不喷射隔热涂层时衬砌结构的最大应力差高达11.6MPa，而喷射后隧道衬砌结构的最大应力差仅3.6MPa，是前者的1/3。

图4 衬砌结构主应力演化

2.2 衬砌配筋及分析

衬砌结构在未喷射隔热涂层条件下通水运行30天后总应力发展至最大，超过混凝土温度应力允许1.587MPa，衬砌结构全断面环向受拉，故需要配置大量钢筋以保证衬砌结构的安全。在喷射隔热涂层条件下通水运行1 天后，衬砌结构总应力最大，然而衬砌结构洞底和洞腰部位合力为负是压力，即衬砌结构整体处以压应力状态，且压应力相对较小，远未达到混凝土的破坏条件，按照构造配筋即能满足衬砌结构设计要求。

隧道衬砌结构的配筋计算见表2，在未喷射隔热涂层条件下最大合力达8673.5KN，按钢筋300MPa 的抗拉强度及1.2 的安全系数计算，需配置10φ36+10φ32 才能保证衬砌结构的安全，考虑到工程经济性和施工效率，是不可行的。喷射隔热涂层后能较好的控制隧洞温度，使得衬砌结构降温卸载应力较小，最大合力仅为89.6KN，且为环向受压，均在混凝土温度应力允许值以内，构造配筋即可满足设计要求，既保证工程安全，又经济高效。

表2 引水隧洞衬砌结构配筋计算表

3 结论

本文基于齐热水电工程，运用有限元模拟进行引水隧洞衬砌工程的热-结构耦合，研究结论如下：

隔热涂层能极大改善隧洞内的高地温现象，使衬砌结构在通水运行期间的降温卸载效应减弱，通水运行30 天内，最大衬砌主应力逐渐由2.23MPa 降低至0.74MPa，仅为未喷涂前的1/5。

高地温围岩中，不喷涂隔热材料的衬砌结构在通水运行期间产生较大的环向应力，衬砌结构全断面受拉且超过混凝土应力允许值1.587MPa，不利于结构稳定；喷涂后衬砌结构应力显著减小，在结构建设要求的安全范围内。

隧洞衬砌结构在未喷射隔热涂层条件下需要进行大量配筋才能满足设计要求，不符合工程建设的经济高效原则；喷射隔热涂层后仅需构造配筋即可满足工程设计要求，是更合理可行的施工方案。