在水利工程中,高地温问题受到了越来越多的关注。高地温对地下洞室的围岩及衬砌结构的稳定性具有重要影响,高地温隧洞温度场分布特征、力学特性及其塑性区分布的研究对工程实践具理论意义。本文结合新疆某水电站高地温引水隧洞,通过现场试验洞的实际钻孔布测,得出围岩的温度变化特性;采用有限元数值仿真模拟的方法,对高地温引水隧洞围岩及衬砌结构的瞬态温度场进行数值模拟分析,进而分析其特性;基于摩尔库伦准则,对高地温引水隧洞围岩及衬砌瞬态耦合应力场及其塑性区的时空演变进行了仿真计算。针对以上方面的研究,初步得到了如下一些结论:(1)现场监测:围岩温度值随钻孔深度增加而增加;围岩同一深度的温度值从洞口到深部(掌子面)逐渐增大。二者均为非线性相关。距洞壁不同距离各点处的温度随时间的变化趋势基本相同,均表现为同升同降;从监测数据看,围岩温度场受施工进度、通风条件及工况影响。边界条件、施工进度及工况的改变对隧洞瞬态温度场的变化及分布特性影响极大。(2)温度场数值模拟:试验洞衬砌结构与围岩均表现为掌子面处温度较高,靠近洞口温度最低,从洞口到深部温度变化为非线性;由于受主洞的影响,试验洞围岩同一截面同一深度腰拱温度值略低于顶拱和底拱的温度值,并且该影响随着试验洞断面距洞口的距离增大逐渐减弱。因此,在主洞内开挖试验洞预测主洞温度场时,应考虑主洞对试验洞的影响,并寻求合适的修正方法;温度场受开挖工序影响极为显著,施做衬砌后围岩温度场有所回升,该趋势与现场监测所得温度场变化趋势相同;高地温引水隧洞温度场以基本周期为单位周期性变化。其基本生命周期是该隧洞全生命周期温度场的缩影;高地温隧洞围岩全生命周期内施加衬砌及检修期工况温度场变化剧烈,日变化率分别为17.79%/天和17.33%/天,其温度附加应力较大。(3)温度-应力数值模拟:不同开挖方式下围岩塑性区不同。高地温引水隧洞全断面开挖方式比分层开挖方式塑性区大2倍,故分层开挖方式优于全断面开挖方式;隧洞开挖后随时间增长,围岩腰拱处压应力逐渐减小,高应力区自洞壁逐渐向深处移动。因此,开挖后围岩应力的重分布对围岩稳定性有利,在围岩开挖卸荷后的短暂时间内寻求适当的支护结构进行支护可防止围岩变形过大;围岩的塑性变形使得围岩内的能量释放,表现为应力的减小,压应力最大区域向围岩内部移动,应力最大值位于围岩腰拱0.4m深度处。因此,应该针对腰拱处围岩提早进行加固处理;高地温隧洞全生命周期温度-应力耦合下围岩拱腰处及拱顶处应力时空分布特性为:在时间上,围岩各点随生命周期工况变化而变化,应力增减性质一致;在空间上,围岩各点应力随深度增加而减小,深度越大,应力受工况影响越小;高地温隧洞全生命周期温度-应力耦合下围岩塑性区发育呈先快后慢的特性。因此,在工程中应重点考虑施工期及第一个基本周期围岩及衬砌的力学特性。