CN108225934A - 一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，所述系统包括钢套筒和封堵端盖，试验钢管通过封堵端盖与钢套筒紧密连接，内部形成腔体，钢套筒上设有注水口和排水口，注水口通过进水管与增压泵相连，增压泵受增压控制设备控制，在试验钢管内壁安装变形监测传感器，变形监测传感器的数据线引出至数据采集系统；其特征在于：所述测试系统包括支墩，钢套筒水平地放置于支墩上，所述钢套筒内壁的下半部分设有用于承托试验钢管的托轮。本发明可实现在无需进行现场测试，且兼顾安全性与真实性的前提下，确定内衬钢管临界屈曲外水压，满足输水隧洞内衬钢管的优化设计需要。

Description

一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统

技术领域

本发明属于建筑技术领域，具体涉及一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统。

背景技术

输水隧洞是在岩（土）体中施作的一种地下结构体系，是引水调水工程中的一个重要组成部分，目前常采用多层衬砌，一般来说，包括：外衬如喷射混凝土、管片等；内衬如钢管、PVC管等；填充于外衬和内衬之间的钢筋混凝土、自密实混凝土等。在输水隧洞长期服役期间，外衬及填充层开裂，将引起外部岩（土）体地下水向内渗至内衬钢管的外壁，使外水压力直接作用在内衬钢管上，容易导致内衬钢管发生屈曲变形甚至稳定破坏，从而影响输水隧洞的结构安全和正常使用。因此，试验钢管的抗外压性能是保证输水隧洞结构安全和正常使用的一个重要指标，正确评判和发挥试验钢管的抗外压性能是提高其结构安全系数和使用年限的关键。随着我国输水隧洞工程建设规模的迅速扩大，试验钢管的抗外压稳定问题已得到越来越多研究人员的重视。

试验钢管的抗外压性能与其尺寸、初始缺陷、残余应力等关系密切。不同外水压力作用下，试验钢管的屈曲稳定模式也存在差异。

目前考察钢管应对外水压的抗屈曲性能普遍采用的是模型试验手段，如：

李佛炎等人（从乌江电站坝内钢管外压失稳模型试验看埋藏式光面管和锚环加筋管外压稳定设计的若干问题[J].水电机电安装技术, 1979, (01):59-68）提出了一种试验装置，其主要组成有如下几个部分：模型钢管、外套管、外套管与模型钢管之间的混凝土、混凝土内的配压通水管、最外一圈是压力筒（在压力筒与套筒之间有一空间为充水稳压的压力室）、上下封口盖环、量测机构、压力泵与压力表等。模型试件几何相似比为1：4.4，内径1.2m、长2m、壁厚4.5mm，对应于内径5.5m、壁厚20mm的实际钢管。

谭一中等人（水电站埋藏式钢管外压失稳的试验研究[J].水力发电学报, 1985,(03):47-58）提出的试验方案为采用相似比为1：7的缩尺钢管，内径1m、长2.1m，壁厚有2.5mm和4.5mm两种。试验装置分为两层钢管，内外管之间形成0.2m厚的空腔（腔内回填混凝土），内外管的两端先后用22mm厚的16#锰钢环形堵头焊封，装置直立放置，在环形堵头以90°间隔分设4个进水管，用以施加外水压力。

龚顺风等人（高静水压力作用下深海油气管道的局部屈曲[J].浙江大学学报(工学版), 2012, 46(01):14-19）提出的试验方案，采用在密闭的的压力缸中，以水为介质，对钢管试件施加径向均匀外部压力的方式来模拟深海环境，压力缸内径为80mm，高300mm；试验钢管采用SS316不锈钢钢管，两端加上带密封圈的堵头制作而成，钢管直径分为10.62mm、11.12mm和11.42mm，对应壁厚为0.50mm、0.56mm和0.51mm。

以上所述的模型试验方案虽然操作较为简易，但存在以下缺陷：（1）模型试验对象为按几何相似比制备的缩尺钢管，受尺寸效应和边界效应的影响显著，尤其是长径比（试件长度与直径之比）偏小，导致模型试验结果与原型钢管的真实抗屈曲能力存在差异。（2）装置均为立式加载，试验钢管所受外水压简化为均匀径向分布，与实际外水压存在竖向梯度的分布模式不符。现有模型试验方案均针对于小直径钢管，顶底水压差的影响尚不突出，但是对于目前愈发常见的复杂地层条件下承受高外水压的大直径薄壁钢管，简化外水压分布模式引起的试验结果失真不容忽视。

此外，少数工程案例采用的是原位现场测试手段。该手段需要在实际工程场地对已建成输水隧洞的试验钢管开展测试，虽然测试对象即为真实的足尺结构，但安全风险高、操作难度大：两端封堵闸门需专门设计，且施工现场位于地下，吊运安装十分不便；同时为了保证输水隧洞后期能继续使用，试验过程中必须避免钢管发生明显损伤，无法进行至破坏阶段。因此，考虑模型试验和原位测试各自的缺陷，开展输水隧洞内衬钢管抗外压稳定性能的原型试验具有明显的优势。

为了适应获取试验钢管抗外压性能的需求，无需在实际工程场地进行原位测试，且兼顾试验结果的真实性，设计开发一种属于室内原型试验的输水隧洞内衬钢管抗外压性能测试系统及方法就显得十分必要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，该系统属原型试验系统，能够在确保内衬钢管尺寸、初始缺陷及残余应力均与实际工程一致的同时，通过施加外水压力作用，获取内衬钢管的应力及变形规律，达到无需进行施工现场测试，且兼顾安全性与真实性的前提下，确定内衬钢管临界稳定外压及屈曲形态的目的，满足输水隧洞内衬钢管的结构安全和正常使用需求。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，所述系统包括钢套筒和封堵端盖，试验钢管通过封堵端盖与钢套筒紧密连接，内部形成腔体，钢套筒上设有注水口和排水口，注水口通过进水管与增压泵相连，增压泵受增压控制设备控制，在试验钢管内壁安装变形监测传感器，变形监测传感器的数据线引出至数据采集系统；其特征在于：所述测试系统包括支墩，钢套筒水平地放置于支墩上，所述钢套筒内壁的下半部分设有用于承托试验钢管的托轮，用于试验钢管的临时承托及对中，试验钢管可以在钢套筒内依靠托轮沿轴向移动。

进一步的，所述钢套筒的端头附近的外壁设置有第一环状筋板，第一环状筋板上设有螺栓孔，所述试验钢管端头附近的内壁设置有第二环状筋板，第二环状筋板上也设有螺栓孔，所述封堵端盖为环状U型构件，并设有与第一环状筋板和第二环状筋板的螺栓孔相对应的螺栓孔，并通过螺栓紧固。

进一步的，所述封堵端盖与第一环状筋板和第二环状筋板之间都设有橡胶密封垫；所述橡胶密封垫为环圈，嵌于钢套筒与封堵端盖的间隙、试验钢管与封堵端盖的间隙中，具有遇水膨胀的特性，从而保证密封性。

进一步的，所述第二环状筋板的内侧设有加劲肋板，所述加劲肋板用于加强第二环状筋板与试验钢管的连接处刚度。

进一步的，所述钢套筒为施加外水压力的密闭容器，为圆筒形构件，外侧设有加强筋板，以增强其整体刚度。

进一步的，所述钢套筒内设有与注水口相连的注水花管，其目的是为了防止注水口堵塞。

进一步的，所述测试系统包括抽水泵，所述抽水泵通过出水管与排水口相连。

进一步的，所述钢套筒内设有与排水口相连的排水花管，其目的是为了防止排水口堵塞。

进一步的，所述钢套筒的外侧设有起吊吊耳，用于吊运移动钢套筒。

更进一步的，所述增压泵与抽水泵，由配套控制设备调整其工作功率，实现加压、降压与稳压过程的控制。

具体的，所述试验钢管为抗外压性能的测试对象，采用的尺寸及加工方式均与具体输水隧洞工程实际采用的内衬钢管一致。

本发明所述的测试系统的流程，包括以下步骤：

S1、按照实际输水隧洞工程所采用的构造尺寸和制作工艺，加工制备试验钢管；在钢管内壁距离两边端头一定距离处，各焊接一道环状筋板；在环状筋板上沿全周均匀间隔一定角度钻取若干个螺栓孔和焊接加劲肋板；

S2、通过起吊吊耳，将钢套筒吊运放置于支墩之上，施作钢套筒和支墩之间的固定连接；

S3、在钢套筒内壁的顶部固定注水花管，注水花管穿过钢套筒的注水口再通过进水管与增压泵相连接；在钢套筒内壁的底部固定排水花管，排水花管穿过钢套筒的排水口再通过出水管与抽水泵相连接；

S4、根据试验需要，确定若干个观测指标（如钢管应变、直径收敛量等），在试验钢管上布设量测仪器，将各量测仪器通过数据线连接至数据采集系统；

S5、试验钢管搬运至钢套筒一端，放置于钢套筒内壁的托轮上，使试验钢管与钢套筒的轴心对中；随后移动试验钢管，使之完全进入钢套筒内部，并使钢套筒与试验钢管的端部平齐；

S6、封堵端盖依据钢套筒、试验钢管端部的环状筋板螺栓孔定位，并在封堵端盖与钢套筒、试验钢管的环向间隙中嵌置橡胶密封垫，采用螺栓将封堵端盖与钢套筒、试验钢管连接紧固，形成施加外水压力的密闭仓室；

S7、封堵排水口，启动增压泵，将外部水源依次通过增压泵、进水管、注水口、注水花管，输送进入钢套筒与试验钢管之间的密闭仓室；水体充满钢套筒与试验钢管之间的密闭仓室后，通过增压泵继续提升压力，实现外水压作用的模拟；外水压的增压速率、每级增量、稳压时间等加载方案细节，依据具体试验要求确定；

S8、采集试验钢管的变形、应力数据；

S9、待试验钢管出现屈曲失稳破坏或外水压达到目标数值时，停止加压，拍摄记录试验钢管形态特征等；

S10、关闭增压泵，封堵注水口，打开排水口，启动抽水泵产生负压，将密闭仓室中的有压水体依次通过排水花管、排水口、出水管、抽水泵，排出至外部水源；卸压排水全过程继续采集试验钢管的变形、应力数据；

S11、拆除两个封堵端盖，拍摄记录试验钢管的最终形态，结束试验。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

（1）本发明的输水隧洞内衬钢管抗外压性能测试系统，可实现在室内施加存在竖向梯度分布模式的实际外水压力，即能真实反映顶底部水压差，实时监测足尺试验钢管的应力及变形规律。避免了在施工现场开展原位测试所受到的时间窗口、作业空间、安全性等限制；同时兼顾钢管结构的真实性，且便于观察记录试验钢管受外水压力作用下的屈曲形态发展全历程；试验结束后，试验钢管还可拆卸、留作它用。

（2）本发明的测试系统中，通过微调封堵端盖尺寸及相对应的螺栓孔位置，以适应多种尺寸的试验钢管；同时钢套筒可方便地吊装搬运，达到多次重复利用、试验场地可灵活变动的目的。

（3）本发明的测试系统中，根据前期试验结果，可对试验钢管参数如壁厚、加劲环间距、高度等方面进行优化，并进一步开展后续测试，验证钢管抗外压稳定性能，从而避免在钢管设计中安全系数取值过于保守，达到大幅降低材料费用，提高工程经济效益的目的。

（4）本发明的测试系统中，通过遇水膨胀的橡胶密封垫填充钢套筒、试验钢管及封堵端盖三者的间隙，达到充分密封保压的目的，从而减少水头损失；通过增压泵及增压控制设备，可施加多个等级的外水压力并稳压。

（5）本发明的测试系统中，钢套筒内壁以多个角度铺设注水花管、排水花管，可实现快速均匀地注水增压、排水降压；钢套筒外壁设有环向、纵向筋板，加强了钢套筒自身整体刚度，确保试验安全顺利进行；钢套筒内壁设有托轮，用于承托试验钢管，有利于试验钢管的快速移动定位。

（6）本发明的测试系统的测试过程中，允许根据输水隧洞实际采用的复合衬砌结构方案（如“外衬管片-混凝土填充层-内衬钢管”），先行浇筑试验钢管外层衬砌，考虑外层衬砌或周围地层对试验钢管的约束作用；同时，还可在试验钢管上焊接加劲环、栓钉、锚筋等构造连接件，更真实地反映试验钢管在复杂受限条件下的抗外压稳定性。

（7）本发明的测试系统中，钢套筒、试验钢管均可通过多节筒体或管体连接加长，从而减小抗外压性能试验中的钢管端部边界效应的影响，提高试验结果的准确性与可靠性。

本发明将在输水隧洞内衬钢管的抗外压稳定性能试验领域发挥巨大作用，具有很高的实用性和技术经济效益。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构侧面示意图；

图2为本发明系统的整体结构横剖面示意图；

图3为本发明系统整体结构A-A剖面（纵剖面）示意图。

其中，1-钢套筒，2-加强筋板，3-封堵端盖，4-注水口，5-起吊吊耳，6-排水口，7-支墩，8-第一环状筋板，9-试验钢管，10-第二环状筋板，11-加劲肋板，12-注水花管，13-排水花管，14-托轮，15-橡胶密封垫，16-螺栓，17-增压泵，18-抽水泵，19-进水管，20-出水管，21-增压控制设备，22-降压控制设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例：

如图1~图3所示，本实施例的输水隧洞内衬钢管抗外压性能测试系统，包括钢套筒1、封堵端盖3、试验钢管9、支墩7、注水花管12、排水花管13、橡胶密封垫15、增压泵17、抽水泵18、进水管19、出水管20和增压控制设备21以及降压控制设备22，其中：

所述钢套筒1为施加外水压的容器，为总长36m、内径5.4m的筒体，壁厚28mm，分为6节，每节6m，由Q345C钢板卷制焊接成整体；其顶部左右各设有6个注水口4，并通过进水管19与增压泵17连接；其底部左右各设有6个排水口6，并通过出水管20与抽水泵18连接。

所述钢套筒1外壁均布等距焊接Q345C加强筋板2，筋板高200mm，厚26mm，间距2m，以增加钢套筒整体刚度。

所述钢套筒1在外壁距离两边端头1m处，各焊接1道Q345C第一环状筋板8，高200mm，厚30mm。所述第一环状筋板8钻取沿全周间隔10°均布的螺栓孔，并且与加强筋板2焊接成整体。

所述钢套筒1各节筒体的外壁顶部焊接有若干个起吊吊耳5，用于吊装钢套筒1的各节筒体。

所述钢套筒1每节筒体以间距2m分有三个横断面，每个横断面内壁底部及左右侧以间隔45°设有3个托轮14，通过焊接与钢套筒1连接。

所述试验钢管9为抗外压性能的试验对象，采用的尺寸、加工方式与具体输水隧洞工程一致，本实例为总长36m、内径4.8m的管体，材质Q235C，壁厚20mm。在内壁距离两边端头1m处，各焊接1道Q345C第二环状筋板10，筋板高200mm，厚24mm，所述第二环状筋板10钻取沿全周间隔10°均布的螺栓孔，且其一侧沿全周间隔20°均布焊接Q345C三角形加劲肋板11，肋板高200mm，厚24mm，用于加强第二环状筋板10与试验钢管9的连接处刚度。

所述试验钢管9放置于钢套筒1内壁的托轮14上，且可以在钢套筒1内依靠托轮14沿轴向移动。

所述封堵端盖3为环状U型钢制构件，前后两处端头各1个，环宽320mm，沿轴向长度1m。所述封堵端盖3的内外侧各设有1道沿全周间隔10°均布的螺栓孔，通过螺栓16分别与第一环状筋板8、第二环状筋板10相连接。

所述橡胶密封垫15嵌在封堵端盖3与钢套筒1、试验钢管9的间隙中，遇水膨胀，以控制接头的密封性。

所述支墩7采用C30混凝土预制而成，宽度1.8m，高度1m，用于承托钢套筒1。

所述注水花管12以夹角90°固定于钢套筒1内壁顶部，并与注水口4相通；所述排水花管13以夹角60°固定于钢套筒1内壁底部，并与排水口6相通。

所述增压泵17通过进水管19连通注水口4，并受到增压控制设备21的调节。所述抽水泵18通过出水管20连通排水口6，并受到降压控制设备22的调节。

本实施例的输水隧洞内衬钢管抗外压性能测试系统的测试流程，包括以下步骤：

S1、通过起吊吊耳5将钢套筒1的多个节段，吊运至支墩7上，并将各个节段组装成完整的钢套筒1；

S2、在钢套筒1内壁顶部安装固定注水花管12，经由注水口4、进水管19与增压泵17连通，增压泵17再接通外部水源与增压控制设备21；在钢套筒1内壁底部安装固定排水花管13，经由排水口6、出水管20与抽水泵18连通，抽水泵18再接通外部水源与降压控制设备22；

S3、根据试验需要，在加工制作好的试验钢管9外壁安装固定渗压计，内壁粘贴应变片等传感器；

S4、将试验钢管9的各个管节，依次由钢套筒1的两端洞口通过托轮14移入钢套筒1的内部，并在钢套筒1内部焊接成全长36m的试验钢管9整体；也可预先焊接好全长36m的试验钢管9，再整体移入钢套筒1的内部；

S5、封堵端盖3与钢套筒1端部的第一环状筋板8、试验钢管9端部的第二环状筋板10通过预先钻取的螺栓孔对齐定位，并在封堵端盖3与钢套筒1、试验钢管9的间隙之中嵌填橡胶密封垫15，再采用螺栓16将封堵端盖3与钢套筒1、试验钢管9连接紧固，形成施加外水压力的密闭仓室；

S6、在试验钢管9内壁安装测距仪等变形监测传感器，并将渗压计、应变片、测距仪等传感器的数据线引出至数据采集系统；

S7、封堵排水口6，启动增压泵17，将外部水源依次通过增压泵17、进水管19、注水口4、注水花管12，输送进入钢套筒1与试验钢管9之间的密闭仓室；待水体充满钢套筒1与试验钢管9之间的密闭仓室后，通过增压泵继续提升压力，实现外水压作用的模拟；外水压按每级0.05MPa增量逐级加压，加压速度不大于0.05MPa/min，每级加压后稳压时间不小于20min；

S8、试验过程中注意检查钢套筒及试验钢管的纵、环向焊缝处有无漏水、损坏的现象，并监视钢套筒1的变形情况，若有异常则应及时停止注水，查明原因并补漏封堵后再继续试验；

S9、采集试验钢管9的应力、变形数据，拍摄记录试验钢管9的形变发展历程，待试验钢管9应力达到目标值或出现失稳破坏现象时，停止注水加压并稳压10min；

S10、关闭增压泵17，封堵注水口4；打开排水口6，启动抽水泵18，将钢套筒1与试验钢管9之间密闭仓室的有压水体，依次通过排水花管13、排水口6、出水管20及抽水泵18泄出至外部水源；卸压排水全过程继续采集试验钢管9的变形、应力数据；

S11、拆除两个封堵端盖3，拍摄记录试验钢管9的最终形态，结束试验。

综上，本发明的输水隧洞内衬钢管抗外压性能测试系统，可实现在室内施加实际的外水压力，实时监测原型内衬钢管的应力及变形规律，真实反映内衬钢管受外压作用下的力学行为与变形发展全历程，确定内衬钢管临界屈曲外水压，从而在保证安全可靠的前提下，优化输水隧洞内衬钢管的结构设计，提高工程的经济性。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，例如封堵端盖可根据需要更改成平板型构件等等。任何熟悉本领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，包括钢套筒（1）和封堵端盖（3），试验钢管（9）通过封堵端盖（3）与钢套筒（1）紧密连接，内部形成腔体，钢套筒（1）上设有注水口（4）和排水口（6），注水口（4）通过进水管（19）与增压泵（17）相连，增压泵（17）受增压控制设备（21）控制，在试验钢管（9）内壁安装变形监测传感器，变形监测传感器的数据线引出至数据采集系统；其特征在于：所述测试系统包括支墩（7），钢套筒（1）水平地放置于支墩（7）上，所述钢套筒（1）内壁的下半部分设有用于承托试验钢管（9）的托轮（14）。

2.根据权利要求1所述的输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，其特征在于：所述钢套筒（1）的端头附近的外壁设置有第一环状筋板（8），第一环状筋板（8）上设有螺栓孔，所述试验钢管（9）端头附近的内壁设置有第二环状筋板（10），第二环状筋板（10）上也设有螺栓孔，所述封堵端盖（3）为环状U型构件，并设有与第一环状筋板（8）和第二环状筋板（10）的螺栓孔相对应的螺栓孔，并通过螺栓（16）紧固。

3.根据权利要求2所述的输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，其特征在于：封堵端盖（3）与第一环状筋板（8）和第二环状筋板（10）之间都设有橡胶密封垫（15）。

4.根据权利要求2所述的输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，其特征在于：第二环状筋板（10）的内侧设有加劲肋板（11）。

5.根据权利要求1至4任一项所述的输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，其特征在于：钢套筒（1）的外侧设有加强筋板（2）。

6.根据权利要求5所述的输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，其特征在于：所述钢套筒（1）内设有与注水口（4）相连的注水花管（12）。

7.根据权利要求6所述的输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，其特征在于：

包括抽水泵（18），所述抽水泵（18）通过出水管（20）与排水口（6）相连。

8.根据权利要求7所述的输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，其特征在于：所述钢套筒（1）内设有与排水口（6）相连的排水花管（13）。

9.根据权利要求1至4任一项所述的输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，其特征在于：钢套筒（1）的外侧设有起吊吊耳（5）。