引水隧洞围岩与支护结构热力学参数敏感性分析及其参数反演

发布时间：2020-09-30 15:42

　　该研究以新疆某水电站高地温引水隧洞为工程背景,针对高地温所引起的高温差问题进行研究。为实际工程在高温差作用下的相关力学特性分析提供参考依据。通过室内试验的方法研究了在高温差作用下引水隧洞围岩与支护结构热力学参数随温度的变化规律,采用数值模拟方法,对围岩与支护结构受力特性关于热力学参数的敏感度进行了研究,得出了各热力学参数的敏感度,最后结合实际工程实测资料反演了在实际工况下围岩与支护结构的热力学参数,为实际工程支护结构设计和施工提供了有益的参考。通过研究主要得出以下结论:(1)围岩导热系数随温度变化近似呈抛物线形式,在达到临界值时温度大小约为20℃;等容等压状况下,岩样比热和热膨胀系数均随温度的升高而增大,具有很好的线性相关性,比热在100℃时较-40℃时增大46.80%,热膨胀系数增大近10倍,泊松比随温度升高增大了16.60%;围岩的弹性模量随温度的升高大致呈负指数降低,100℃时较-40℃时降低约25.52%。其中,在-20℃~100℃之间,弹性模量变化较小;随着温度的变化存在四种效应:冰融蒸发效应、热胀效应、矿物质变质效应、内部粘结强度减弱效应。(2)针对引水隧洞围岩和喷层支护结构热力学参数随温度变化的敏感性问题,基于温度场、温度应力基本理论,以喷层内外部温度、关键部位环向应力值等为目标函数,通过ANSYS热力耦合模块建立圆形洞室进行数值分析,研究围岩和喷层结构线膨胀系数、导热系数、比热,以及对流系数等7个影响因素的敏感性问题。得出了热力学参数变化对洞室不同部位应力的影响,以及热力学参数敏感程度由大到小依次是:喷层线膨胀系数、喷层导热系数、围岩导热系数、对流系数、围岩线膨胀系数、围岩比热等。(3)运用现场实测资料与数值实验相结合的方法,反演了引水隧洞围岩和喷层支护结构的热力学参数,同时对数值反演所得参数与实测数据进行比较,证明了反演所得参数的可靠性,得出如下结论:根据地质报告提供的岩石相关数据,运用数值试验得出导热系数取值范围为10~50 W/(m·℃),通过用钢纤维段距洞壁3.5m测点实测所得温度值进行温度标定,对比距洞壁0.5m围岩计算温度和实测温度,反演围岩的导热系数为25 W/(m·℃);根据喷层过水时测量的水的温度和岩体温度,利用喷层内外侧温度差值来反演喷层的导热系数。最终反演的喷层的导热系数为13 W/(m·℃);根据试验洞内通风变化情况反演出对流系数为60 W/(m~2·℃)。
【学位单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV554
【部分图文】：

导热系数,温度变化曲线,岩样

岩样导热系数大小随温度变化曲线

岩样,比热,温度变化曲线,导热系数

图 2-1 岩样导热系数大小随温度变化曲线-1 Thermal conductivity of rock samples with temperatur出，导热系数在温度变化情况下的变化趋势近段。导热系数伴随温度升高而变大，增幅达 14度的继续增加，导热系数则相反减小，降幅达系数存在一个临界温度约为 20℃，且导热系于低温状态时岩石中含有冰和水，冰的融化和存在此现象，且高温破坏了岩石自身的导热结样比热的影响的变化条件下，根据试验所测得岩样的比热变

线膨胀系数,岩样,温度变化曲线

图 2-3 岩样线膨胀系数大小与温度变化曲线tion between coefficient of expansion of rock sample line 出，所取岩样线膨胀系数随着温度的升高而升上升近 10 倍。线膨胀系数随着温度变化的关ε 0. 0448T 2.3576(R2=0.991) 岩石的线膨胀系数；T 为岩石的温度。样弹性模量的影响是分析围岩力学性能的主要参数，反映在弹性到岩石试样的弹性模量随温度变化关系去下，如

【参考文献】