高温隧洞温度场及裂纹对围岩应力影响的研究

摘要

高岩温地区越来越多的长距离输水过程中所遇到的隧洞内低温水与围岩高温所形成的高温差下围岩的温度场分布、温度应力特征以及隧洞支护结构的设计等均是亟需解决的工程问题。本文根据布仑口-公格尔水电站高温引水隧洞的高地温问题，在前人工作的基础上，首次将COMSOL软件引入对高温隧洞的研究中，对高温隧洞围岩以及支护的温度场与应力场进行了分析，此外，借助大型有限元分析软件ANSYS作为数值仿真分析平台，分析了不同裂纹方向对围岩应力场的影响，主要进行的工作可以归纳为以下几个方面：
　　(1)利用COMSOL，软件模拟了高温隧洞沿长度方向的温度场，分别讨论了有通风出口和无通风出口温度场，以期找到最佳对流换热系数和最佳通风出口位置。
　　(2)推导了稳态下高温隧洞无支护围岩温度场解析解和支护温度场解析解，并与数值解作了对比；基于COMSOL对瞬态下围岩导热系数、通风温度以及初始岩温对围岩温度场影响因素进行了分析；详细分析了混凝土与围岩导热系数对支护温度分布规律的影响，混凝土与围岩导热系数比值越小，支护内外壁温差越大。
　　(3)推导了高温隧洞稳态下无支护和有支护温度应力解析解，与数值解进行了对比，基于COMSOL分析了瞬态下通风温度、线膨胀系数、围岩导热系数、弹性模量、初始岩温以及通风温度对无支护围岩温度应力的影响；对比分析了有、无高地温地下洞室应力场分布，在初始岩温为80℃的高地温下热力耦合相较于无高地温下围岩应力，最小主应力减小了约29％；分析了不同断面形式的围岩耦合应力分布；分析了不同支护厚度、不同支护导热系数、不同线膨胀系数、不同弹性模量以及不同围岩初始温度下的支护结构过水运行期的受力情况。
　　(4)借助ANSYS分析了不同裂纹方向对围岩应力的影响，求出了不同裂纹方向的应力强度因子，通过对比，找出最大应力强度因子所对应的角度。

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目录

1绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3研究技术路线及主要内容

2基本理论

2.1温度场基本理论

2.2温度应力基本理论

2.3 CO MSOL Multiph ysics多物理场耦合软件介绍

2.4计算参数的选取

2.5本章小结

3沿隧洞长度方向温度场

3.1无通风出口温度场分析

3.2有通风出口温度场分析

3.3小结

4二维径向温度场分析

4.1无支护温度场稳态解析解

4.2有支护温度场稳态解析解

4.3二维温度场数值模拟

4.4稳态温度场数值解与解析解对比

4.5无支护瞬态温度场分布规律

4.6有支护瞬态温度场分布规律

4.7本章小结

5二维应力场分析

5.1无支护温度应力稳态解析解

5.2有支护温度应力稳态解析解

5.3稳态温度应力数值解与解析解对比

5.4无支护瞬态温度应力分布规律

5.5无支护瞬态围岩耦合应力分布规律

5.6支护结构受力分析

5.7本章小结

6 裂纹对围岩应力影响

6.1基本理论

6.2数值计算模型

6.3计算结果

6.4本章小结

7结论及展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献