[发明专利]一种高地温隧洞水力热损伤试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种高地温隧洞水力热损伤试验装置及试验方法，属于岩石力学试验技术领域。本发明试验装置包括设置在含有孔洞的隧洞试样相应位置的边界温度加载结构、应力加载结构、水压加载结构、中心温度施加结构，还包括在孔洞两端面密封配合的封盖结构以及伸入孔洞内的摄像结构，可以实现水力热多场荷载和试验过程全程可视化，更全面地体现隧洞运行期的工作性态，采用试验装置的试验方法，具有试验进展稳定的优点。

技术领域

本发明属于岩石力学试验技术领域，具体涉及一种高地温隧洞水力热损伤试验装置及试验方法。

背景技术

大埋深水工隧洞所处地区受到地质构造运动强烈，地质条件复杂，同时高地温是水工隧洞遇到的新的难题。地下工程高地温致灾案例的最早记载是修建于1898年至1905年的连接瑞士和意大利的辛普伦铁路隧道(SimplonTunnel)，全长19.98km，在施工过程中发生了多次高温涌水事故，其中温度维持在50℃的洞段长达3km；中国已建隧洞也多遇到高地温的影响，如布仑口—公格尔水工隧洞的掌子面最高温度达82℃；乌东德水电站实测洞内温度达46℃以上，在隧洞运行期受冷水冲击，容易形成较大的温度梯度，隧洞环向形成拉应力场，致使衬砌、岩体开裂，内水外渗，威胁工程安全稳定运行。因此，对高地温水工隧洞的水力热损伤(THMD)时空演化机理的认识无疑将对高地温、复杂应力下的隧洞建设与运行提供重要参考。

试验研究是获取高地温隧洞水力热损伤的时空演化机制的直接手段，其中，研究不同温度梯度，内水压范围等参数变异性对隧洞水力热规律具有较大影响，并且能够直观显示隧洞内部的损伤演化也对隧洞的断裂力学机制的认识至关重要。然而，现有研究及技术多针对单一影响因素进行研究分析，论文《裂隙岩体水力劈裂临界水压力试验研究》提出了单一内水压试验，该技术采用的高压水密封装置为外部工字钢架密封，不需要在试样上打孔；论文《灾高温下盾构隧道衬砌结构热力耦合模型试验》提出了单一温度梯度试验，该技术采用将隧洞结构整体放置于温度加载设备上，无需对试样进行密封，因此无需打孔；论文《深埋隧洞围岩双向流变特性试验》提出了单一围压试验，该技术采用双轴加载开孔隧洞试样，无需密封，也无需打孔。区别于单一荷载，对于水力热多场荷载，要求各个荷载结构之间无相互影响，且密封性好、试验进展稳定。然而目前还存在一些问题，比如，对试样的密封性要求，单一内水压加载可以用工字钢，但是考虑试样围压，因此用工字钢无法施加围压，因为围压加载会碰到工字钢，对此，可以在试样上打孔密封，但是打孔方式会导致打孔处出现应力集中，导致破裂以至于密封失效。另外，由于试验的复杂性，隧洞内部基本上处于封闭状态，较难探究隧洞内部损伤演化过程，可以采用内置摄像机，但是水力热多场荷载同样对引入摄像机的结构产生影响。

发明内容

针对现有技术仅对隧洞损伤试验单一因素分析的技术问题，本发明提出一种高地温隧洞水力热损伤试验装置，实现水力热多场荷载和试验过程全程可视化，更全面地体现隧洞运行期的工作性态；本发明另一目的是提出一种高地温隧洞水力热损伤试验方法。

为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：一种高地温隧洞水力热损伤试验装置，包括隧洞试样，所述隧洞试样设有贯穿孔洞，还包括与外部计算机连接的数据采集系统，还包括设置在所述隧洞试样上面、下面、左面、右面的边界温度加载结构、设置在上面、左面、右面所述边界温度加载结构另一侧的应力加载结构；还包括与所述孔洞两端面密封配合的封盖结构，所述封盖结构包括封盖，所述封盖包括前封盖和后封盖；还包括穿过所述前封盖向所述孔洞施压内水压的水压加载结构、贯穿前封盖和后封盖向所述孔洞内施压中心温度荷载的中心温度施加结构、穿过所述前封盖伸入所述孔洞内的摄像结构。

进一步地，所述隧洞试样形状为正方体，由砂岩或者大理岩切割而成；所述孔洞位于所述隧洞试样的中心线位置，孔洞为圆柱形；封盖材料为不锈钢。

进一步地，所述封盖结构还包括用于穿过所述封盖与所述隧洞试样螺栓孔内部固定的固定螺栓，所述固定螺栓设有向所述固定螺栓与所述隧洞试样螺栓孔之间缝隙填充环氧树脂的注射孔。