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高岩温地区越来越多的长距离输水工程遇到的隧洞洞内低温水与岩体高温形成的高温差对围岩与支护结构的安全性构成巨大的挑战,而在这方面的研究成果很少,严重制约了引水工程的发展。本文以布仑口一公格尔高岩温引水隧洞工程为依托,采取解析分析、数值仿真、室内试验以及现场监测试验等研究手段,对高岩温引水隧洞温度场、应力场变化规律、主要影响因素以及相关应力场温度场耦合机制进行系统深入研究,最终提出高岩温中引水隧洞中支护结构的设计原则,主要工作及成果如下: (l)推导了高岩温引水隧洞施工期、运行期全过程的非稳态温度场解析解公式。采用用分离变量法,得到未支护条件下圆形高温隧洞非稳态温度场解析公式,进一步将上述温度分布作为初始温度场,推导得出旌工期及运行期支护条件下的非稳态温度场解析式,在此成果基础上,详细分析了各种热力学参数对围岩温度场的影响,将高岩温引水隧洞温度场变化分为三个阶段,阐明了其变化机理。 (2)设计了两条现场试验洞,模拟施工期通风、运行期过水工况,对温度分布及支护结构应力变化进行详细监测与分析,监测结果为高岩温引水隧洞支护结构设计方案的提出提供了坚实依据,同时对解析解及系统数值分析成果起到了标定作用。 (3)对高岩温引水隧洞支护结构受力数值模拟分析中的参数及边界条件选取进行了系统的分析论证,通过对短期过水时间内支护结构温度场、应力场变化的分析,揭示了高岩温引水隧洞支护结构的受力特点与机制。 (4)建立了稳态条件下运行期内水荷载及温度荷载共同作用下的支护结构受力计算解析解公式;采用数值模拟手段,.分析了瞬态温度场条件下内水荷载与温度荷载的应力叠加规律,揭示了内水荷载与温度荷载共同作用下支护结构的受力机制; (5)结合布仑口-公格尔高岩温引水隧洞现场试验成果,采用数值模拟手段,对高岩温隧洞在不同影响因素下的支护结构受力进行了系统的分析,提出了针对Ⅲ类围岩采用改良的混凝土喷层作为永久衬砌的方案,并已在新疆布仑口-公格尔水电站高岩温引水隧洞工程中得到应用。 (6)提出了可供类似工程参考的高岩温引水隧洞支护结构设计原则。设计原则包括基本原则,对各类围岩条件下的支护措施选择进行说明,对高岩温引水隧洞条件下的温度场、应力场一般规律进行了总结,对高岩温引水隧洞支护结构受力的影响因素进行了量化分析。