Preliminary Prediction of Temperature Field and Thermal Damage in Zheduoshan Region Along Sichuan-Tibet Railway

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.022

Abstract

Abstract:

Heat harm is a common geological hazard in Sichuan-Tibet railway, China. Zheduoshan region is located in the Kangding geothermal field with abundant geothermal resources, which may induce severe thermal damages. Due to the poor traffic and construction conditions in plateau mountainous area, drilling and other geophysical surveys cannot be easily applied. To precisely predict the surrounding rock temperature along the tunnel and compensate for the lack of geological exploration in difficult terranes, a numerical model of tunnel A along the railway line is built and calibrated based on geological data. Faults, lithology, geothermal temperature, groundwater, and other factors are considered in the model based on geothermal theory. The temperature distribution in the surrounding rocks of the tunnel is revealed. In addition, we evaluate the thermal damage risks along the planned tunnel, which would be useful for its site selection, design and construction.

Key words: Sichuan-Tibet railway, tunnel in Zheduoshan region, geothermal field, thermal damage, numericalsimulation

CLC Number:

P642

ZHAO Zhihong, XU Haoran, LIU Feng, WEI Shuaichao, ZHANG Wei, WANG Guiling. Preliminary Prediction of Temperature Field and Thermal Damage in Zheduoshan Region Along Sichuan-Tibet Railway[J]. Geoscience, 2021, 35(01): 180-187.

Figures/Tables 13

Fig.1 Location and tectonic map of the A tunnel option in Zheduoshan region (modified after reference [17])

Fig.2 Schematic diagram of groundwater circulation pattern in Zheduoshan region

Fig.3 Geometry model of A tunnel and its surrounding rocks

Table 1 Physical parameters of the model

岩性	参数	数值	取值依据
中粒黑云母花岗岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.010	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.070	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
	放射性生热率/(μW·m³)	5.50	文献[31]
细粒黑云母花岗岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.015	模型参数校正
	渗透系数/(10^-3 μm²)	0.11	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
	放射性生热率/(μW· $m - 3$ )	5.50	文献[31]
变质岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.020	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.14	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
砂岩及其他岩石	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.030/0.040	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.70/1.70	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	750	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.040	一般岩石平均值
断层	密度/(kg·m^-3)	1 200	一般充填物平均值
	孔隙率	0.30/0.60	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	132/660	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般充填物平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般充填物平均值

Table 1 Physical parameters of the model

岩性	参数	数值	取值依据
中粒黑云母花岗岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.010	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.070	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
	放射性生热率/(μW·m³)	5.50	文献[31]
细粒黑云母花岗岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.015	模型参数校正
	渗透系数/(10^-3 μm²)	0.11	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
	放射性生热率/(μW· $m - 3$ )	5.50	文献[31]
变质岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.020	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.14	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
砂岩及其他岩石	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.030/0.040	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.70/1.70	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	750	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.040	一般岩石平均值
断层	密度/(kg·m^-3)	1 200	一般充填物平均值
	孔隙率	0.30/0.60	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	132/660	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般充填物平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般充填物平均值

Fig.4 Sketch of mesh generation of the model

Fig.5 Boundary conditions of the model

Fig.6 Groundwater flow line and surface temperature around Yala River fault

Table 2 Comparison of thermal spring parameters along Yala River fault

参数	野外调查统计	模型计算结果
热泉总流量/(L·s^-1)	54.046	55.227
热泉最高温度/℃	81.0	80.465

Fig.7 Comparison of borehole temperature and model temperature

Fig.8 Isoline map of surrounding rock temperature along A-tunnel axial section

Fig.9 Temperature of surrounding rocks along tunnel A

Table 3 Thermal damage prediction classification for tunnel prospective design (modified after Xie et al.[34])

热害等级	原始围岩温度/℃
Ⅰ	< 37
Ⅱ	37~44
Ⅲ	45~50
Ⅳ	> 50

Table 4 Segmented thermal damage classification of tunnel A

里程/km	热害等级	备注
0~7.8	Ⅱ	海拔>3 000 m
7.8~11.3	Ⅲ	海拔>3 000 m
11.3~13.0	Ⅳ	海拔>3 000 m
13.0~16.0	Ⅲ	海拔>3 000 m
16.0~17.4	Ⅱ	海拔>3 000 m
17.4~21.6	Ⅲ	海拔>3 000 m,距热泉较近

References 34

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