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寒区富水洞口段隧道泄水洞水热耦合分析
| 论文题名： | 寒区富水洞口段隧道泄水洞水热耦合分析 |
| 关键词： | 泄水洞;隧道;冻土;温度;数值模拟 |
| 摘要： | 随着各国经济建设的发展与我国中西部地区发展政策及“一带一路”倡议的推进，各国的公路、铁路等基础建设逐步向高海拔、高纬度地区等气候条件极端恶劣的寒冷地区延伸。隧道的运营状态表明，冻害广泛存在。以往寒区隧道建设中关注重点是隧道围岩温度场的演化规律，较少关注寒区泄水洞对围岩温度场的影响。为了探究隧道围岩温度场与泄水洞之间的关系，本文开展现场实验，观测隧道温度场的演化，推导水热耦合方程，模拟泄水洞存在下多种工况下的温度场，并提出相应保温防控方案。本文的主要研究内容与结论如下： (1)通过对隧道内外温度场的监测与分析，本文拟合了隧道洞外大气温度，为数值模拟章节提供边界与初值条件。并探究了隧道两端洞口、左右边墙温度差异以及隧道纵向的温度分布规律，得到了乔尔玛洞口平均温度要低于那拉提洞口平均温度；在防寒门关闭阶段，那拉提洞口段左边墙温度要低于右边墙温度，而洞中与乔尔玛方向洞口段边墙温度分布相反，防寒门打开阶段，乔尔玛方向右边墙温度高于左边墙。而洞中与那拉提方向相反；隧道纵向温度洞口段温度低中间温度高；在防寒门关闭阶段，温度分布较为集中，而防寒门打开阶段，温度要高于防寒门关闭阶段，温度分布较为分散。通过对不同位置的温度进行分析，建议在隧道不同位置实施针对性的保温防寒措施。 (2)基于多孔介质理论与基本假定，推导了非饱和冻土水热耦合模型，运用有限元软件进行建模。模拟未设置泄水洞时的温度场、泄水洞存在时隧道内不同风速、泄水洞不同水量以及不同流速条件下的横纵截面温度场。并得出泄水洞的存在将会影响隧道围岩温度场；隧道内风速对围岩温度场影响最大、不同水量条件次之、不同水流速度影响较小；在隧道风速越大、泄水洞通风有水、泄水洞洞内水流速度较大条件下，围岩温度场达到最不利状况。因此通过对围岩温度场的分析，建议对洞外隧道边坡铺设保温层，对隧道以及泄水洞进行防风阻寒措施。 (3)针对最不利状况与现有玉希莫勒盖隧道泄水洞冻结情况，提出了加入保温层、设置防寒门、开发地热、安装除冰材料等四种方案，并用数值模拟探究保温层、防寒门、开发地热三种情况下的效果，得出了在不同位置设置保温层以及设置不同厚度保温层对泄水洞洞中洞口保温效果不佳；在隧道以及泄水洞不同洞门位置设置防寒门对洞中有良好防寒作用，但洞口效果不佳；开发循环地热从而加热泄水洞内水流温度，能达到良好的保温防冻效果。 |
| 作者： | 刘敏 |
| 专业： | 土木工程;桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 周元辅 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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