CN106320296A - 用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构 - Google Patents

用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构 Download PDF

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Abstract

用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，从隧洞围岩表面往隧洞洞壁依次为初期衬砌、隔水层和二次衬砌，所述初期衬砌为钢筋混凝土层；所述隔水层包括初期衬砌外壁表面的混凝土封闭底漆层和混凝土封闭底漆层外表面的聚脲弹性体层；所述二次衬砌为内部埋设有玄武岩纤维网格的钢筋混凝土层。利用高抗拉承载力的玄武岩纤维网格配网于衬砌内部，通过抑制拉裂缝的生成有效增强钢筋混凝土衬砌，并在喷混凝土初期衬砌外壁喷涂聚脲弹性体作为隔水材料，同时能降低高温围岩与低温高压水之间热传导的不利作用，水工隧洞充水运行时玄武岩纤维网格与环向钢筋联合承担温度梯度和高压水荷载所引起的环向拉力。

Description

用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构
技术领域
本发明涉及一种水工隧洞衬砌结构，特别适用于高地温地区高压水工隧洞的衬砌结构，属于水利水电工程技术领域。
技术背景
在高地温(岩体初始温度高于30摄氏度)地区兴建的高压(工作水头大于等于100米)水工隧洞在首次通水运行时，水温较低而岩体温度相对较高，衬砌的内外壁出现内冷外热的温度梯度，而温度梯度将引起衬砌出现环向拉应力；此外，较高的内水压力同样使得衬砌出现环向拉应力。在温度梯度和内水压力所产生的环向拉应力的迭加作用下，采用现行《水工隧洞设计规范》所推荐的混凝土或钢筋混凝土衬砌结构因抗拉性能有限难以避免出现衬砌结构严重开裂的问题，衬砌严重开裂将导致衬砌的防止渗漏与分担内水压力和围岩压力的功用降低或丧失，造成内水外渗、围岩失稳等影响工程的安全运行的不利后果。
玄武岩纤维材料由广泛分布的玄武岩制备而成，具有良好的抗拉性能，抗拉强度一般为3000～4800MPa，且具有耐腐蚀性能好、成本低廉的特点，其单位造价远低于碳纤维材料以及钢板，与碳纤维材料以及钢板增强的钢筋混凝土衬砌相比，玄武岩纤维网格增强钢筋混凝土衬砌在工程造价上明显较低。
纯聚脲涂层致密、连续、无任何催化剂、无喷涂厚度限制，具有良好的隔水、耐水、耐老化、耐腐蚀、耐交变温度、耐疲劳冲击、耐磨性能，还具有高抗拉强度与高伸长率的特性。因此，对于高地温条件下的水工高压隧洞，初期衬砌的外壁表面喷涂聚脲弹性体隔水层，可有效阻绝当二次衬砌出现贯穿裂缝时低温高压水与高温围岩的直接接触，从而降低热对流，避免围岩水力劈裂破坏，进一步保障了高地温水工高压隧洞的衬砌结构安全与围岩稳定性。
公开号为CN101481930B的发明专利公开了一种纤维编制网复合钢筋混凝土的建筑结构及其制备方法，该发明是通过在混凝土初凝之前，将精细混凝土和纤维编制网浇注在结构受张拉区的外侧的方式，达到有效控制裂缝、解决混凝土开裂、钢筋腐蚀的问题的目的。该发明对于结构受拉区处于结构下部或结构受拉区处于一个曲面上的情况，在施工上是难以实现的，且不适用于高地温地区高压水工隧洞。
公开号为CN104695980A的发明专利公开了一种用于高埋深、高地温、高地应力岩爆地区的发电引水隧洞衬砌结构，该发明在岩壁内侧固定有一层隔热材料，通过混凝土衬砌上的两条榫式永久应力释放缝释放衬砌应力。但是，该发明不适用于高地应力、高内水压力条件。这是因为，一般的隔热材料因为多孔特性往往力学强度很低，在高地应力或高内水压荷载作用下将导致隔热材料压缩变形破坏与水力劈裂破坏，从而导致隔热效果不佳；此外，该发明所用的榫式永久应力释放缝难以解决在温度骤降作用下衬砌内壁表层因局部温度应力过大而开裂的问题以及内壁表层开裂后因水力剥落而掉渣掉块等问题。
发明内容
(一)本发明要解决的技术问题
本发明目的在于提供一种适用于高地温地区高内水压力条件下运行工作的水工隧洞的衬砌结构，旨在解决当前广泛采用的混凝土或钢筋混凝土材料的衬砌结构在高地温与高内水压力荷载联合作用下严重开裂并危及围岩稳定的问题。
(二)本发明的技术方案
用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，从隧洞围岩表面往隧洞洞壁依次为初期衬砌、隔水层和二次衬砌，
所述初期衬砌为钢筋混凝土层；
所述隔水层包括初期衬砌外壁表面的混凝土封闭底漆层和混凝土封闭底漆层外表面的聚脲弹性体层；
所述二次衬砌为内部埋设有玄武岩纤维网格的钢筋混凝土层。
进一步的，所述的混凝土封闭底漆层厚度不超过0.1mm。
进一步的，所述的聚脲弹性体层厚度为3-7mm。
进一步的，所述的玄武岩纤维网格配网于二次衬砌内壁表层，保护层厚度为5-10mm，网孔尺寸介于5-30mm之间。
进一步的，所述的玄武岩纤维网格由玄武岩纤维编织，或由玄武岩纤维与以下任意一种纤维混合编织：碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维和PBO纤维。
进一步的，所述的玄武岩纤维网格通过限位支撑件与二次衬砌中的环向受力钢筋固定。
进一步的，所述的限位支撑件为“L”型短钢筋，一端固定环向钢筋上，另一端绑扎固定玄武岩纤维网格。
进一步的，所述的限位支撑件在单个横断面上的数量不低于16个，限位支撑件数量随洞径的增大而加密，随玄武岩纤维网格刚度的降低而加密，所述的限位支撑件在洞轴线方向上的密度取决于实际固定效果。
进一步的，所述的混凝土封闭底漆层为100％固含量的环氧或聚氨酯类涂料。
进一步的，所述的聚脲弹性体层为纯聚脲材料。
(三)本发明的有益效果
1.本发明利用高抗拉强度、耐腐蚀的玄武岩纤维对钢筋混凝土二次衬砌进行增强，可有效提高衬砌结构的裂缝控制能力、承载能力、抗水力剥落能力与耐久性。
2.本发明利用隔水性能良好的纯聚脲弹性体作为二次衬砌与围岩之间的隔水层，当二次衬砌一旦出现贯穿性裂缝时，可有效阻断高温围岩与低温高压水的直接接触，从而降低热对流，避免围岩水力劈裂破坏，有利于提高衬砌结构的可靠性与耐久性。
3.本发明的施工实现更为简单，工程造价低，可以克服内层为钢板的组合式衬砌结构或预应力混凝土结构的施工难度大、工程造价高等局限性问题。
4.与碳纤维或纤维编制网增强混凝土相比较，本发明无需配制精细混凝土，结构形式简单，造价低，对于结构受拉区处于结构下部或结构受拉区处于一个曲面上的情况，施工难度小，结构不分层，整体性好。
5.本发明的衬砌结构具有较好的抗裂、限裂、抗冲刷、抗水力剥落、抗渗隔水等能力，适用于高地温地区的高压水工隧洞。
6.具有抗拉承载力高、形式简单、施工方便等特点，可以解决高地温地区高压水工隧洞采用混凝土或钢筋混凝土衬砌结构时，因抗拉承载力有限，在水工隧洞运行时高地温梯度与高内水压力联合作用下衬砌结构容易产生贯穿性张拉裂缝，进而导致造成内水外渗、危及围岩稳定性进而威胁水工隧洞运行安全的问题。
附图说明
图1为本发明用于高地温地区高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构的横断面结构示意图；
图2为本发明用于高地温地区高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构的横断面局部结构放大图；
图3为本发明用于高地温地区高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构的限位支撑件固定示意图。
附图中的标注：1.初期衬砌、2隔水层、2a.混凝土封闭底漆层、2b.聚脲弹性体层、3.二次衬砌、3a.环向钢筋、3b.玄武岩纤维网格、3c.限位支撑件、4.围岩开挖面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，从隧洞围岩表面往隧洞洞壁依次为初期衬砌、隔水层和二次衬砌，
所述初期衬砌为钢筋混凝土层；
所述隔水层包括初期衬砌外壁表面的混凝土封闭底漆层和混凝土封闭底漆层外表面的聚脲弹性体层；
所述二次衬砌为内部埋设有玄武岩纤维网格的钢筋混凝土层。
所述的玄武岩纤维网格通过限位支撑件与二次衬砌中的环向受力钢筋固定。
实施例2
用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，从隧洞围岩表面往隧洞洞壁依次为初期衬砌1、隔水层2和二次衬砌3，
所述的初期衬砌1为喷混凝土初期衬砌，由喷混凝土与钢筋网组成；
所述的隔水层2为聚脲弹性体隔水喷层，由初期衬砌外壁表面的辊涂混凝土封闭底漆层2a与喷涂聚脲弹性体2b组成；
所述的二次衬砌3为玄武岩纤维网格增强钢筋混凝土二次衬砌，由环向钢筋3a、二次衬砌内壁表层配网的玄武岩纤维网格3b、限位支撑件3c与支模浇筑的混凝土3d组成。
其中，所述的喷混凝土初期衬砌为常规混凝土或纤维混凝土材料，厚度约为5-15cm，需全面覆盖围岩，并满足洞室表面的平整要求。
其中，所述的喷混凝土初期衬砌中布设了钢筋网，钢筋网嵌在喷射混凝土层中。
其中，所述的喷混凝土初期衬砌外壁表面在底漆辊涂前需进行底材处理，表面杂质在底漆辊涂前需酌情选用高压水冲洗、真空吸尘、化学清理、喷砂清理及抛丸处理等方式彻底清除，表面缺陷在底漆辊涂前需用腻子类材料完全修补。混凝土表面底材处理并喷涂封闭底漆，可大幅提高聚脲的喷涂质量与使用寿命，进而保障聚脲喷层不出现针孔、鼓包、黏结强度降低等工程问题。
其中，所述的混凝土封闭底漆层2a为聚脲在混凝土结构上专用的封闭底漆；所述的混凝土封闭底漆层2a为100％固含量的低黏度且强渗透性的环氧或聚氨酯类涂料；所述的混凝土封闭底漆层2a具有可带湿施工、低粘度、强渗透性、与水亲和性好、粘结力强、抗拉强度高及断裂伸长率大等特点。
其中，所述的混凝土封闭底漆层2a由人工辊涂方式涂刷于喷混凝土初期衬砌外壁的表面，厚度不超过0.1mm，辊涂时需用力在喷混凝土初期衬砌外壁表面反复拉动，或转圈揉涂，辊涂后需仔细检查，不能有漏涂处。
其中，所述的混凝土封闭底漆层2a在表干后2～48h内必需喷涂聚脲材料，若超过48h需重新辊涂一遍封闭底漆才可喷涂聚脲材料。
其中，所述的聚脲弹性体隔水喷层2b为纯聚脲材料，需满足《喷涂聚脲防水涂料》(GB/T23446-2009)中Ⅱ型喷涂聚脲防水涂料的标准；所述的聚脲弹性体隔水喷层2b由纯聚脲材料喷涂而成；所述的聚脲弹性体隔水喷层2b需采用专用喷涂设备施工喷涂，厚度为3-7mm。
其中，所述的玄武岩纤维网格增强钢筋混凝土二次衬砌为支模浇筑的玄武岩纤维网格3b增强钢筋混凝土，厚度约为400-600mm。
其中，所述的玄武岩纤维网格增强钢筋混凝土二次衬砌中布设了双层环向钢筋3a与单层玄武岩纤维网格3b。
其中，所述的玄武岩纤维网格3b为纤维增强复合材料网格，是纤维网格与基体材料(树脂等)按一定比例固化所得的刚性或半刚性的高性能复合材料；所述的玄武岩纤维网格3b由玄武岩纤维编织，或由玄武岩纤维与以下任意一种纤维混合编织：碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维和PBO纤维。
其中，所述的玄武岩纤维网格3b配网于二次衬砌3内壁表层，保护层厚度为5-10mm，经向或纬向纤维需与环向张拉方向保持一致，网孔尺寸介于5-30mm之间；所述的玄武岩纤维网格3b通过限位支撑件3c与环向钢筋3a固定。
其中，所述的限位支撑件3c为“L”型短钢筋，一端焊接于环向钢筋3a，另一端绑扎固定玄武岩纤维网格3b。“L”型短钢筋第一臂的端头固定在环向钢筋3a上，使第一臂垂直与环向钢筋3a，而第二臂平行与环向钢筋3a所在面，将玄武岩纤维网格3b绑扎固定在第二臂上。
所述的限位支撑件3c在单个横断面上的数量不低于16个，数量取决于洞径尺寸、网格刚度、实际固定效果等因素，限位支撑件数量随洞径的增大而加密，随玄武岩纤维网格刚度的降低而加密，所述的限位支撑件在洞轴线方向上的密度取决于实际固定效果。
通过室内大比尺衬砌结构水工模型试验证实，在满足原型工作水头小于等于500m、岩体温度与水流温度差小于等于90摄氏度以下时，本发明衬砌结构拉裂缝贯穿时所对应的环向极限承载拉力约为常规钢筋混凝土衬砌结构的2～4倍。
在所述初期衬砌与二次衬砌中，包括钢筋配置、钢筋的混凝土保护层厚度以及混凝土强度等级在内的设计参数都是按照水利水电的设计规范确定。

Claims (10)

1.用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，从隧洞围岩表面往隧洞洞壁依次为初期衬砌、隔水层和二次衬砌，
所述初期衬砌为钢筋混凝土层；
所述隔水层包括初期衬砌外壁表面的混凝土封闭底漆层和混凝土封闭底漆层外表面的聚脲弹性体层；
所述二次衬砌为内部埋设有玄武岩纤维网格的钢筋混凝土层。
2.根据权利要求1所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的混凝土封闭底漆层厚度不超过0.1mm。
3.根据权利要求1所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的聚脲弹性体层厚度为3-7mm。
4.根据权利要求1所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的玄武岩纤维网格配网于二次衬砌内壁表层，保护层厚度为5-10mm，网孔尺寸介于5-30mm之间。
5.根据权利要求1所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的玄武岩纤维网格由玄武岩纤维编织，或由玄武岩纤维与以下任意一种纤维混合编织：碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维和PBO纤维。
6.根据权利要求1所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的玄武岩纤维网格通过限位支撑件与二次衬砌中的环向受力钢筋固定。
7.根据权利要求6所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的限位支撑件为“L”型短钢筋，一端固定环向钢筋上，另一端绑扎固定玄武岩纤维网格。
8.根据权利要求1所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的限位支撑件在单个横断面上的数量不低于16个，限位支撑件数量随洞径的增大而加密，随玄武岩纤维网格刚度的降低而加密，所述的限位支撑件在洞轴线方向上的密度取决于实际固定效果。
9.根据权利要求1所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的混凝土封闭底漆层为100％固含量的环氧或聚氨酯类涂料。
10.根据权利要求1所述用于高地温高压水工隧洞的玄武岩纤维网格增强衬砌结构，其特征在于，所述的聚脲弹性体层为纯聚脲材料。
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