基于热-水-力-损伤耦合模型的高地温水工高压隧洞围岩承载特性数值模拟研究

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当前,随着西部众多深埋长水工隧洞的兴建,高地温地质灾害日益凸显。高地温条件下水工高压隧洞运行时受到温度应力、内水压力和地应力的共同作用,围岩受力条件复杂,而当前水工隧洞设计规范中关于高地温隧洞的设计存在着空白,这将给高地温水工高压隧洞的设计、施工及运营带来安全隐患,因此本文开展高地温水工高压隧洞围岩承载特性的研究,为其设计、施工及安全运营提供理论支撑,通过研究,取的以下成果:(1)针对高地温水工高压隧洞围岩的力学行为特点,在考虑岩体的渗透系数、热传导系数随岩体损伤发生变化的基础上,基于多物理场耦合理论,提出一种考虑硬岩强度力学参数(弹性模量E、粘聚力c、内摩擦角ψ、抗拉强度σt)劣化的含损伤演化的热-水-力-损伤(THMD)耦合模型,并给出了该模型的FLAC3D数值实现方法。将该模型用于模拟一高地温水工隧洞物理模型试验,数值模拟结果与物理试验结果基本一致,从而验证了本文模型的可靠性,与现有的其他模型相比较,本文模型对于高地温水工高压隧洞的围岩力学行为预测和承载能力评价具有更好的适用性。(2)利用本文THMD耦合模型推演了高地温水工高压隧洞围岩多物理场耦合演化过程,研究结果表明隧洞充水运行后,高地温水工高压隧洞的多场耦合效应显著,尤其高地温梯度和高内水压力联合作用下产生的迭加拉应力对围岩的承载安全具有不利影响,围岩损伤场、渗流场、温度场的演化规律上表现出一致性,裂缝处围岩的损伤值较大,此处渗透压力大于同一半径的其余位置,温度低于同一半径的其余位置。(3)利用本文耦合模型对高地温水工高压隧洞的承载特性进行研究,研究表明:①温度梯度、岩体线膨胀系数、岩体弹性模量、内水压力越大,隧洞围岩受到拉应力越大,围岩损伤程度与开裂深度越大,裂缝数量越多,且线膨胀系数与温度梯度的影响效果相当;②初始地应力侧力系数对围岩承载特性有着重要影响,当隧洞横断面的侧压力系数趋向于1时,隧洞开挖后重分布应力场较为均匀,洞周出现的宏观裂缝较多且出现方位不确定,当隧洞横断面侧压力系数小于1/3时,隧洞开挖后的重分布应力场将在初始地应力的最大主应力方向形成拉应力集中区,洞周出现的宏观裂缝相对较少且主要出现在与初始地应力的最大主应力方向相平行的方向上;③常规锚喷支护并不能有效提高围岩抗拉能力,对高地温水工高压隧洞的加固效果不佳,有效支护措施有待进一步研究。
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