冰-水相变对寒区隧道动态温度场影响研究

发布时间：2019-09-17 14:23

【摘要】：为了揭示冰-水相变对寒区隧道动态温度场的影响,通过建立隧道有限元模型,对比分析考虑相变与否两种情况下隧道温度场的动态变化,研究隧道在内部气温变化作用下的冰-水相变发展过程。研究表明:围岩内部温度随深度增加而升高,年变化幅度逐渐减小,变化相位逐渐滞后;考虑冰-水相变后,隧道温度场年动态变化过程改变较大,温度年变化幅度显著减小;在外界低温的作用下,主洞与导洞部位均有结冰现象,衬砌和围岩内部在1月份开始结冰,4月份之后完全冻结区消失,仅在衬砌和围岩存在冰水混合区,至7月份完全解冻,解冻后重新冻结的月份为10月份,之后冻结范围逐渐扩大,全年冻结发展最快的时间为11月份。
【图文】：

Ｐ屠炊员?分析冰－水相变对围岩温度场动态变化的影响。2含相变隧道温度场有限元模型2.1隧道温度场模型选取四川地区某一高海拔公路隧道为对象，基于传热和相变理论，模拟隧道在洞内气温作用下，考虑相变时的温度场动态变化情况。为了对比分析，同时模拟隧道在不考虑相变时的温度场动态变化情况，以揭示冰－水相变对于隧道温度场的影响。隧道主洞全长7079m，为双向通车公路隧道，采用复合式衬砌结构形式，净空面积69.72m2，同时，为了满足施工和通风要求，在与主洞中线距离33m处设有导洞，主洞与导洞断面形式如图1所示。隧道围岩主要为花岗岩，岩质坚硬，岩体多呈裂隙块状～块碎状镶嵌结构。图1公路隧道断面(单位:cm)取隧道入口洞深15m处截面建立二维平面模型，如图2所示，模型长、宽分别为80、50m，上下边界为热流量边界，热流量分别取－0.06W/m2和0.06W/m2，左右边界距隧道较远，影响较小，取为绝热边界［13］，根据现场钻孔测试，隧道所处部位原始地温为9.5℃，隧道内表面与空气进行对流换热，换热系数取第10期李彬嘉，晏启祥，曾勤，，等—冰－水相变对寒区隧道动态温度场影响研究91

15W/m2·K［14］。利用多孔介质模型对围岩和衬砌结构区域进行模拟，多孔介质中固体介质为已定义的固体材料(围岩、混凝土)，流体介质则为水;同时，定义水的热物理参数在相变温度处发生改变，当低于相变温度时变为冰的相关参数，高于相变温度时重新变为水，假设多孔介质为饱和材料，其孔隙率可由含水率计算而得。根据相关规范［15］和现场实测，模型所采用的材料热物理参数如表1所示，其中水的相变潜热取334560J/kg［16］。图2隧道温度场有限元模型表1材料热物理参数材料名称密度/(kg/m3)含水率/%比热容/(J/kg·℃)导热系数/(W/m·℃)围岩245012.58001.91初期支护混凝土240089201.74二次衬砌混凝土245019201.74水1000—41800.56冰917—20902.24根据现场实测气象数据，所取截面洞内气温年变化曲线可拟合为下式T1=272.3－9.15sin(2πt/8640+π/2)(1)T2=272.9－8.75sin(2πt/8640+π/2)(2)式中，T1为主洞气温;T2为导洞气温;t为时间，h。2.2相变模拟方法冰－水相变对于隧道温度场的影响主要在于相变潜热的吸收与释放，目前相变的模拟方法主要有显热容法和热焓法，显热容法将相变潜热的影响等效为比热容的变化，通过定义相变区域的显热容来模拟相变的发生。热焓法则直接定义围岩在各个状态的热焓，将相变所吸收或释放的热量包含在焓中。本次模拟所采用的即为热焓法，当考虑相变时，便计算潜热的吸收与释放，不考虑相变时，则不计算潜热的吸收与释放。单位质量衬砌和围岩中水的相变吸收或释放的热量可按下式计算［16］Q=Lρd(W－Wu)(3)式中，L为水的相变潜热;ρd为衬砌结构或围岩的干密度;W为衬砌结构或围岩中水的总质量分数，即为衬砌结构或围岩的含水
【作者单位】： 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目(51678500)
【分类号】：U451

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本文编号：2536914