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摘 要

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渗流条件下寒区隧道围岩温度场时空演变规律研究

21813131 陆阳

指导教师 张国柱 副教授

摘要

近年来，随着我国经济的快速发展，西部地区新建了大量交通基础设施，包括大量位于高海拔、常年冻土区域的寒区隧道。在寒区隧道的使用中，往往存在着一系列制约寒区隧道服务水平的冻害问题，包括衬砌开裂、剥落、挂冰、路面冒水、结冰等，这些问题严重危害隧道使用者的生命财产安全。研究表明，寒区隧道冻害问题主要来源于隧道围岩内的水分冻结及其冻结后的体积膨胀。基于此，本文对寒区隧道的温度-渗流两场耦合进行考察，并利用数值分析软件建立了含相变的寒区隧道温度-渗流两场耦合模型，以期对寒区隧道冻结渗流问题有更深刻的认识。

本文使用功能强大的多场耦合软件COMSOL Multiphysics5.2软件进行建模，通过其瞬态计算的功能进行多年气温循环的数值模拟，研究隧道周围温度场随时间的变化情况。通过改变模型中的渗流速率、温度围岩热物性指数，探究了各参数的敏感性。最后，将本文模型运用于工程实例—桦皮岭隧道，对其围岩温度场的时空变化规律进行模拟，结合该隧道的实际情况，对其防冻保温施工效果进行评价并提出建议。

关键词：寒区隧道；围岩温度场；温度-渗流耦合模型；数值模拟

A Research on the Evolution Law of Temperature Field of Surrounding Rock in Tunnels in Cold areas under seepage condition

21813131 Lu Yang

Supervised by ZhangGuozhu

Abstract

In recent years, with the rapid development of China's economy, the western region has built a large number of transport infrastructure, including a large number of cold area tunnels in high-altitude and perennial frozen area. In the use of tunnels in the cold area, there are a series of problems that affect the service level of the tunnel in the cold area, including lining cracking, peeling, ice hanging, road watering and freezing. These problems seriously endanger the life and property of tunnel users. The results of a lot of research show that the problem of freezing in the cold area is mainly due to the freezing of water in the surrounding rock and the volume expansion after freezing. Based on this conclusion, a new temperature-seepage two-channel coupling model is proposed, which is based on the study of the predecessors, to have a better understanding of the freezing of water in the surrounding rock of the tunnel.

In this paper, the powerful multi-field coupling software COMSOL Multiphysics5.2 is used to model the temperature field of the tunnel and the temperature field around the tunnel changes with time with the numerical simulation of the transient calculation function. By changing the seepage rate in the model and the thermal properties of the surrounding rock, the sensitivity of each parameter is explored.

Finally, this model will be applied to engineering examples – Hua Piling Tunnel, simulate their spatial and temporal variation of temperature field surrounding rock, combined with the actual situation of the tunnel, to evaluate the effect of frost insulation construction and its recommendations.

Key words: cold area tunnel; rock temperature field; temperature- seepage coupling model; numerical simulation

目 录

摘要 I

Abstract 2

目 录 4

第一章 绪论 7

1.1研究现状简介 7

1.1.1寒区隧道温度场研究 7

1.1.2温度-渗流耦合模型现状 8

第二章 岩体温度-渗流耦合模型理论基础 9

2.1含相变的温度-渗流耦合机理 9

2.1.1基本假定 9

2.1.2相变相关参数描述 9

2.2温度-渗流耦合控制方程推导 10

2.2.1温度场控制方程推导 10

2.2.2渗流场物性方程推导 12

2.2.3温度-渗流耦合方程组 14

2.3定解条件 14

2.3.1边界条件 14

2.3.2初始条件 15

2.4相关热力学参数和渗流参数取值方法研究 15

2.4.1未冻水体积含量 15

2.4.2密度 15

2.4.3等效热容 15

2.4.4导热系数 15

第三章 模型尺寸及水热参数取值研究 17

3.1COMSOL Multiphysics5.2软件简介 17

3.2模型尺寸与主要参数 17

3.2.1模型几何尺寸 17

3.2.2渗透系数 18

3.2.3饱和度 19

3.2.4分凝势 20

3.2.5其它物理参数 20

第四章 低温相变岩体-渗流耦合效应分析 21

4.1相变对温度场分布的影响 21

4.1.1相变对冻结深度的影响 22

4.1.2隧道围岩不同深度处温度场的变化规律 24

4.1.3对温度场斜率变化的理论解释 24

4.2渗流速率对温度场分布的影响 24

4.2.1水分迁移对温度场分布的影响 24

4.2.2不同渗流速度对温度场的影响 25

4.3热物性参数对温度场分布情况的影响 29

4.3.1孔隙率对温度场分布的影响 29

4.3.2饱和度对温度场分布的影响 30

第五章 工程实例研究-以河北桦皮岭隧道为例 33

5.1工程概况 33

5.1.1自然地理概况 33

5.1.2地层岩性 33

5.1.3水文地质条件 33

5.2隧道设计概况 33

5.3隧道防、排水设计概况。 33

5.4模型建立 34

5.4.1气温函数 34

5.4.2模型尺寸和边界条件 35

5.5计算结果 37

5.5.1隔热层厚度影响 37

5.5.2隧道保温段的长度计算 38

5.5.3渗流速率对衬砌附近处冻融顺序的影响 41

5.5.4本章结论 43

第六章 结论与展望 44

6.1主要结论 44

6.2前景展望 44

参考文献 46

致谢 47

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