CN106353120A - 模拟隧道内水压力的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟隧道内水压力的试验装置及方法，装置包括荷载加载机构、监测系统、反力机构，荷载加载机构包括多个柔性容器、灌液泵，多个柔性容器经两两连通后构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，其中一柔性容器上的注液管与灌液泵的出液口相连接；监测系统包括埋设于衬砌内的应力计、钢筋计等，布设于衬砌内、外表面的光纤光栅传感器，埋设于围岩中的多点位移计、渗压计、测缝计，各传感器的信号输出端与数据采集单元相连接；反力机构包括固定连接的反力工字钢件和反力支撑件，各柔性容器的一侧与衬砌环段对应设置，反力支撑件支撑各柔性容器的另一侧。本发明可模拟检测隧洞充水运营期间混凝土衬砌的施工质量及预应力施加效果。

Description

模拟隧道内水压力的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟隧道内水压力的试验装置及方法，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

随着国家输水工程的大力建设，对于围岩条件较差、覆盖层较薄的有压输水隧洞一般采用环锚预应力混凝土衬砌技术，环锚预应力混凝土衬砌又可分为有粘结环锚预应力混凝土衬砌和无粘结环锚预应力混凝土衬砌两种。

在环锚预应力混凝土衬砌的设计、施工过程中，一般需要进行模型或现场施工试验，以监测施工期和运行期衬砌受力及裂缝发展情况，从而保证工程施工及运行安全。现有的模型试验或现场试验大都只进行了施工期的张拉试验，仅在部分工程(如小浪底排沙洞工程设计阶段)进行了有粘结和无粘结环锚预应力混凝土衬砌两个模型试验的压水试验，模拟运行期衬砌受内水压力的受力情况。

现有的压水试验中，施加试验荷载的方式主要有以下两种：

如图1所示，在衬砌1环段采用多个千斤顶2对称水平布置于支座3与垫块支墩4之间，通过油泵逐级升压使千斤顶活塞移动，将力由支墩均匀加荷于衬砌试件上。这种方法的优点是制作工艺较简便，缺点是由于隧洞洞径较大，多个垫块支墩易形成多个集中受力点，且支墩之间存在一定的间距，导致衬砌在环向上的反力作用不均匀，不能很好的模拟水压力均匀施加这一特性，此外，千斤顶加载过程中，多个千斤顶同步对支墩进行加载要求支座定位精确，稍有偏差便会导致加载不均匀，严重时衬砌会出现局部加载过大出现裂缝，导致试验失败。

如图2所示，在施工现场直接注水进行试验，即用堵水材料6封堵模型洞口两端，保留注水孔和出气孔，通过高压水泵将水5注入隧洞8，通过压力表监测水压。这种方法的优点是完全模拟运行期水压下衬砌7的受力情况，对衬砌不会产生不均匀水压力，缺点是对洞口封堵要求非常高，高压情况下易出现渗水而难以持续加压，无法继续试验，且，若进行现场原位注水试验，则水的运输和持续供给及相应配套设施都将大幅增加试验难度，甚至由于隧洞的封闭性，两个堵水端将处于隔离状态，应对衬砌出现裂缝时漏水的处理也将出现问题，试验后排水对周围施工环境也会造成破坏。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种模拟隧道内水压力的试验装置及方法，通过荷载加载机构与反力机构的配合对衬砌进行均匀的水压力加载过程，监测系统实时监测水压力加载过程中衬砌的变形过程与受力情况，可模拟检测隧洞充水运营期间衬砌的施工质量及预应力施加效果，为预应力混凝土衬砌的设计和施工提供可靠的依据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模拟隧道内水压力的试验装置，用于对衬砌进行水压力试验，包括荷载加载机构、监测系统、反力机构，

荷载加载机构包括多个柔性容器、灌液泵，多个柔性容器经两两连通后构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，其中一柔性容器上设有注液管，该注液管与该灌液泵的出液口相连接；

监测系统包括埋设于衬砌内的应力计、钢筋计、无应力计、磁通量传感器、锚索测力计，布设于衬砌内、外表面的光纤光栅传感器，埋设于围岩中的多点位移计和渗压计，安装于围岩与衬砌之间的测缝计，各传感器的信号输出端与数据采集单元的主控芯片相连接；

反力机构包括固定连接的反力工字钢件和环状的反力支撑件，

该封闭结构体的各柔性容器的一侧与衬砌环段对应设置，该反力支撑件支撑各柔性容器的另一侧。

进一步的，

所述封闭结构体的其中一个柔性容器上设有排气管。

所述封闭结构体的各柔性容器具有与所述衬砌环段相适应的圆弧段。

所述柔性容器是由薄钢板焊接而成的扁平形中空囊体，钢板材料自身不提供环向约束。

所述反力支撑件由素混凝土制成，其浇筑过程中与所述反力工字钢件对应的位置设置磁通量传感器。

所述数据采集单元包括显示屏、报警器，所述主控芯片采集各传感器对应的变形信号，各变形信号经处理后通过显示屏显示，当变形信号的变形量到达一设定的变形阈值时，所述主控芯片控制报警器报警。

基于上述模拟隧道内水压力的试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

S1：安装监测系统，包括：

浇筑混凝土衬砌前，于围岩上钻孔安装多点位移计、渗压计、测缝计；

浇筑混凝土衬砌时，于衬砌内埋设应力计、钢筋计、无应力计、磁通量传感器、锚索测力计；

浇筑混凝土衬砌后，沿衬砌环向内、外表面分别埋设光纤光栅传感器；

将各传感器经信号线接入所述数据采集单元；

S2：组装荷载加载机构，包括：

将两两柔性容器通过连接管组装连接，构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，将各柔性容器的一侧设于衬砌环段的内环面，衬砌环段底部对应的柔性容器上的注液管与灌液泵的出液口相连接；

S3：安装反力机构，包括：

在各柔性容器的另一侧安装反力支撑件和反力工字钢件；

S4：调试及试验，包括：

通过灌液泵向各柔性容器内灌液、加压。

所述应力计和钢筋计的安装方法是：将所述钢筋计焊接在非应力钢筋上，将所述应变计埋设于所述混凝土衬砌内部非应力钢筋附近。

所述步骤S1中，所述光纤光栅传感器的安装方法是：在所述衬砌径向厚度范围内，按角度均匀布置若干组光纤光栅传感器，所述衬砌的外表面和径向方向预埋安装所述光纤光栅传感器，所述衬砌的内表面通过表面刻槽安装所述光纤光栅传感器。

所述步骤S1中，所述磁通量传感器安装于所述衬砌中对应锚索的位置，所述锚索测力计通过游动锚头与衬砌上的锚具槽相连接。

本发明的优点是：

本发明的模拟隧道内水压力的试验装置及方法，通过荷载加载机构与反力机构配合对衬砌进行均匀的水压力加载过程，最大限制的模拟内水压力工况，与此同时，监测系统实时监测水压力加载过程中衬砌的受力情况与变形过程，可模拟检测隧洞充水运营期间混凝土衬砌的施工质量及预应力施加效果，为预应力混凝土衬砌的设计和施工提供可靠的依据，保证工程施工及运行安全；且，试验装置简单，操作灵活，可控性强，具有良好的经济和技术效益。

附图说明

图1是现有技术中利用液压千斤顶施加试验荷载的压水试验装置结构示意图。

图2是现有技术中在施工现场直接注水进行压水试验的试验原理结构示意图。

图3是本发明的模拟隧洞内水压力的试验装置结构示意图。

图4是本发明的荷载加载机构的结构示意图。

图5是本发明的反力机构的结构示意图。

图6是本发明的监测系统的分布结构示意图。

图7是本发明的柔性容器的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图3-7所示，本发明的模拟隧道内水压力的试验装置，包括荷载加载机构、监测系统、反力机构；

荷载加载机构包括多个柔性容器10、连接管11、灌液泵15，柔性容器10两端设有连接头，两两柔性容器之间通过连接管11相连通，多个柔性容器两两通过连接管连接后，以各柔性容器10的外侧16设于衬砌9环段，靠近衬砌环段下端的柔性容器上设有注液管12，靠近衬砌环段上端的柔性容器上设有排气管13，灌浆泵的出液口与注液管12相连接，将液体经高压管路14、注液管12、连接管11灌入各个柔性容器10，可利用液体(水或水泥浆)压力产生的径向位移对衬砌层施加压力。

由于一般供水隧洞的洞径较大，构成荷载加载机构的各柔性容器具有与衬砌环段相适应的圆弧段，各柔性容器经连接管组装成的独立封闭的荷载加载机构，可与衬砌环段紧密贴合，灌液过程中，在反力机构的配合下，向衬砌施加均匀的压力。柔性容器的圆弧段的尺寸可根据隧洞大小进行设计。

反力机构包括反力工字钢件21和由素混凝土制成的反力支撑件20，反力支撑件20设于荷载加载机构的内侧，具体的说，环状的反力支撑件20设于组装好的各柔性容器10的内侧17，反力工字钢件21经支墩支撑反力支撑件20，在各柔性容器的灌液过程中，反力支撑件20与反力工字钢件21对各柔性容器形成反力支撑，防止柔性容器在灌液过程中向内侧17发生变形，进而保证荷载加载机构的各个柔性容器可向衬砌9施加均匀的荷载力。

监测系统包括多点位移计30、应变计31、钢筋计32、渗压计33、测缝计34、光纤光栅传感器35、无应力计36、磁通量传感器37、锚索测力计38等多种传感器以及数据采集单元。多点位移计30埋设于围岩中，用于监测围岩的位移变形量；若干应变计31和钢筋计32分别埋设于混凝土衬砌9的内层钢筋和外层钢筋中，用于监测混凝土衬砌9的应力应变量等受力情况；渗压计33埋设于围岩中，用于监测围岩的渗流渗压量；测缝计34设置于围岩与衬砌之间，用于监测围岩与衬砌之间的开缝量；光纤光栅传感器35分别布设于衬砌的内、外表面，用于监测混凝土衬砌内外表面和径向方向的微变形量；无应力计36埋设于混凝土衬砌9中，用于监测混凝土衬砌的体积变化应变量；磁通量传感器37埋设于混凝土衬砌内与锚索对应的位置，锚索测力计38通过游动锚头381与衬砌上的锚具槽382相连接，磁通量传感器37与锚索测力计38配合用于监测环锚不同位置的锚索受力情况及锚索应力损失。数据采集单元包括主控芯片，显示屏等，上述各传感器感测的信号经信号线传输至主控芯片，主控芯片对各信号进行处理后经显示屏显示出来，主控芯片中分别设定各变形量对应的变形阈值，当传感器采集的信号值超过相应的变形阈值时，还可通过一报警器发出报警。

上述各传感器的安装方法是，于混凝土衬砌浇筑前安装埋设多点位移计30、渗压计33、测缝计34；于混凝土衬砌浇筑前，钢筋绑扎、模板架设时，将钢筋计32焊接在非应力钢筋上面，将应变计31埋设于混凝土衬砌内部非应力钢筋附近；混凝土衬砌浇筑过程中，埋设无应力计36、磁通量传感器37(锚索穿过)、锚索测力计38等；光纤光栅传感器35沿衬砌环向内、外表面各埋设一圈，在衬砌径向厚度范围内，按角度均匀布置若干组光纤光栅传感器，其中，衬砌外表面(朝向围岩的一面)和径向方向预埋安装光纤光栅传感器，混凝土衬砌浇筑后，衬砌内表面刻槽以安装光纤光栅传感器。

利用本发明的装置进行水压力试验的过程及方法是：

1、安装监测系统

浇筑混凝土衬砌前，于围岩上钻孔安装多点位移计30、渗压计33、测缝计34；

浇筑混凝土衬砌时，绑扎、模板架设时，埋设应力计31和钢筋计32，具体是，将钢筋计焊接在非应力钢筋上面，将应变计埋设于混凝土衬砌内部非应力钢筋附近；埋设无应力计36，埋设锚索时，设置磁通量传感器37、锚索测力计38等；

浇筑混凝土衬砌后，沿衬砌环向内、外表面分别埋设一圈光纤光栅传感器35，在衬砌径向厚度范围内，按角度均匀布置若干组光纤光栅传感器，其中，衬砌外表面和径向方向预埋安装光纤光栅传感器，衬砌内表面通过表面刻槽安装光纤光栅传感器。

上述各传感器安装好后，经信号线接入数据采集单元；开启系统，检查各传感器是否正常工作，显示屏是否正常显示，保证系统可以进行实时监测。

2、组装荷载加载机构

混凝土衬砌浇筑完成28天后，根据衬砌环段的实际大小，将多个柔性容器、两两柔性容器通过连接管组装连接，组装成与衬砌环段相适应的独立封闭结构体，将各柔性容器的外侧紧贴于衬砌环段的内环面，衬砌环段底部对应的柔性容器上的注液管与灌液泵的出液口相连接，衬砌环段顶部对应的柔性容器上的排气管穿过衬砌，可向外界排气。

3、安装反力机构

荷载加载机构安装完成后，在各柔性容器的内侧安装反力机构，具体是，在荷载加载机构内侧，先架设模板支架，交叉布置工字钢，然后进行混凝土浇筑以形成反力支撑件；反力支撑件浇筑过程中，可在与工字钢对应的位置设置磁通量传感器，用于监测反力工字钢件的应力变化情况。

4、调试及试验过程

上述监测系统、荷载加载机构、反力机构均安装完成后，进行联合调试与试验过程。

首先，对荷载加载机构施加荷载进行调试，达到设计荷载的5％左右并稳荷，保持荷载稳定，调试荷载加载机构与补压系统(灌液泵)的可靠性；其次，对监测系统进行调试，采集和分析监测数据的真实性、有效性；

上述调试通过后，按照试验加载等级和荷载值，进行试验，通过具有自动补压功能的灌液泵向各柔性容器加水或水泥浆，在荷载加载机构和反力机构的配合下，利用水压力或水泥浆压力产生的径向位移对混凝土衬砌层施加均匀的压力，将压力加至设计荷载后，锁定稳压，并在荷载增幅至该级压力下自动补压，保持荷载稳定，直至下一级加载，整个过程中，实时监测各传感器采集的数据，监测衬砌的受力情况与变形过程，通过最大限制的模拟内水压力工况，模拟检测隧洞充水运营期间混凝土衬砌的施工质量及预应力施加效果。

所述柔性容器是由薄钢板焊接而成的扁平形中空囊体，钢板材料自身不提供环向约束。于一具体实施例中，薄钢板的厚度为1毫米，焊接部位钢板搭接为5毫米柔性容器的高度为2～6厘米，轴向宽度为0.4～2米，环向长度为1.0～6.0米。

所述反力支撑件由C30～C60混凝土制成，混凝土的长度即为衬砌进行试验的长度，混凝土的厚度可采用与衬砌相等的厚度，一般为40-80厘米。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.模拟隧道内水压力的试验装置，用于对衬砌进行水压力试验，其特征在于，包括荷载加载机构、监测系统、反力机构，

荷载加载机构包括多个柔性容器、灌液泵，多个柔性容器经两两连通后构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，其中一柔性容器上设有注液管，该注液管与该灌液泵的出液口相连接；

监测系统包括埋设于衬砌内的应力计、钢筋计、无应力计、磁通量传感器、锚索测力计，布设于衬砌内、外表面的光纤光栅传感器，埋设于围岩中的多点位移计和渗压计，安装于围岩与衬砌之间的测缝计，各传感器的信号输出端与数据采集单元的主控芯片相连接；

反力机构包括固定连接的反力工字钢件和环状的反力支撑件，

该封闭结构体的各柔性容器的一侧与衬砌环段对应设置，该反力支撑件支撑各柔性容器的另一侧。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述封闭结构体的其中一个柔性容器上设有排气管。

3.根据权利要求1所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述封闭结构体的各柔性容器具有与所述衬砌环段相适应的圆弧段。

4.根据权利要求1所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述柔性容器是由薄钢板焊接而成的扁平形中空囊体，钢板材料自身不提供环向约束。

5.根据权利要求1所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述反力支撑件由素混凝土制成，其浇筑过程中与所述反力工字钢件对应的位置设置磁通量传感器。

6.根据权利要求5所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述数据采集单元包括显示屏、报警器，所述主控芯片采集各传感器对应的变形信号，各变形信号经处理后通过显示屏显示，当变形信号的变形量到达一设定的变形阈值时，所述主控芯片控制报警器报警。

7.基于权利要求1-6中任意一项所述模拟隧道内水压力的试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：安装监测系统，包括：

浇筑混凝土衬砌前，于围岩上钻孔安装多点位移计、渗压计、测缝计；

浇筑混凝土衬砌时，于衬砌内埋设应力计、钢筋计、无应力计、磁通量传感器、锚索测力计；

浇筑混凝土衬砌后，沿衬砌环向内、外表面分别埋设光纤光栅传感器；

将各传感器经信号线接入所述数据采集单元；

S2：组装荷载加载机构，包括：

将两两柔性容器通过连接管组装连接，构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，将各柔性容器的一侧设于衬砌环段的内环面，衬砌环段底部对应的柔性容器上的注液管与灌液泵的出液口相连接；

S3：安装反力机构，包括：

在各柔性容器的另一侧安装反力支撑件和反力工字钢件；

S4：调试及试验，包括：

通过灌液泵向各柔性容器内灌液、加压。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述应力计和钢筋计的安装方法是：将所述钢筋计焊接在非应力钢筋上，将所述应变计埋设于所述混凝土衬砌内部非应力钢筋附近。

9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述光纤光栅传感器的安装方法是：在所述衬砌径向厚度范围内，按角度均匀布置若干组光纤光栅传感器，所述衬砌的外表面和径向方向预埋安装所述光纤光栅传感器，所述衬砌的内表面通过表面刻槽安装所述光纤光栅传感器。

10.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述磁通量传感器安装于所述衬砌中对应锚索的位置，所述锚索测力计通过游动锚头与衬砌上的锚具槽相连接。