CN114592887A - 一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，具体包括，确定混凝土冷却至稳定温度的时间及稳定温度的数值，混凝土的应力大小与变化规律以及伸缩缝的开闭情况。本发明从衬砌变形特性出发，限制衬砌收缩变形、降低衬砌温度应力，通过调整伸缩缝并缝时的环境温度、通风冷却降温风速以及并缝材料的强度参数等，降低灌浆后伸缩缝再度张开的风险，避免了隧洞在伸缩缝处产生内外水渗漏等工程问题。

Description

一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法

技术领域

本发明涉及一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

长距离输水隧洞由于洞身过长，衬砌浇筑需分段浇筑。依据《水工隧洞设计规范》隧洞衬砌浇筑时，每隔6～12m的间距设置一条伸缩缝，以此释放洞段伸缩时产生的拉应力，达到防裂的目的。为了提高衬砌的整体性，一般仍需对伸缩缝进行接缝灌浆。

然而，由于缺乏对衬砌结构应力变形规律的系统认识，常发生伸缩缝接缝灌浆后再度张开的现象，导致隧洞在伸缩缝处发生渗漏，影响工程的安全运行。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，解决了现有技术中伸缩缝接缝灌浆工艺易导致隧洞在伸缩缝处发生渗漏的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，包括如下步骤：

步骤一，获取隧洞工程所在地的水文资料、气象资料；

步骤二，获取隧洞的设计资料，确定衬砌混凝土的应力阈值；

步骤三，依据步骤一获取的隧洞工程运行期水温变化情况，拟定伸缩缝灌浆时间及温度。

步骤四，依据步骤三确定的灌浆时间及温度，计算确定灌浆后伸缩缝的最大变形量，即灌浆材料的最小伸长量；

步骤五，计算满足防裂要求的灌浆材料强度参数；

步骤六，计算灌浆后衬砌混凝土的最大应力，并与步骤二的应力阈值比较，判断是否满足温控防裂的要求；若不满足防裂要求，则重复步骤四～步骤六，直至满足防裂要求。

步骤七，当灌浆后衬砌混凝土小于步骤二确定的最大应力阈值时，计算确定混凝土冷却至灌浆所需的稳定温度和时间间隔；

步骤八，基于步骤四～步骤七，确定伸缩缝灌浆时的环境温度、环境温度达到伸缩缝灌浆要求时通风降温天数、通风冷却的风速和灌浆材料的最小伸长量及强度参数，制定输水隧洞内衬伸缩缝并缝施工方案。

优选地，前述的水文资料为隧洞通水运行时，洞水温全年的水温变化数据资料；前述的气象资料为工程所在地指定时间段内的月平均气温。

优选地，前述隧洞的设计资料，包括隧洞衬砌的结构形式、防渗体系设置、衬砌结构的几何尺寸和分缝间距。

优选地，前述衬砌混凝土的应力阈值的方法如下：

式中，{σ}_max为衬砌混凝土的应力阈值，E为混凝土的弹性模量，ε_p为混凝土的极限拉伸值，k为混凝土的抗裂安全系数。

优选地，前述拟定伸缩缝的灌浆时间及温度包括：

依据混凝土的温度变形特性，选定在冬季气温较低时进行灌浆处理。

优选地，前述确定灌浆后伸缩缝的最大变形量的方法为：

ε＝α(T₀-T_t)×L

式中，ε为伸缩缝灌浆后的变形量，α为混凝土的线膨胀系数，T₀为灌浆时隧洞内的气温，T_t为隧洞内运行期的最低温度，L为衬砌的长度。

优选地，前述灌浆材料强度参数的计算方法为：

式中，σ_min为灌浆材料强度，E₀为灌浆材料的弹性模量，ε₀为伸缩缝灌浆材料的最大应变量，l为伸缩缝的初始长度。

优选地，前述当σ_c≤{σ}_max时符合温控防裂的要求，其中

式中，K为应力松弛系数，R₁、R₂为衬砌混凝土灌浆前、后的约束系数，μ为泊松比，T为初始时混凝土的温度，α为混凝土的线膨胀系数，T₀为灌浆时隧洞内的气温，T_t为隧洞内运行期的最低温度，σ_c为灌浆后衬砌混凝土的最大应力，{σ}_max为衬砌混凝土的应力阈值。

优选地，前述计算确定混凝土冷却至灌浆所需的稳定温度和时间间隔，具体步骤如下：

确定混凝土表面的放热系数，计算公式为：

β＝21.06+17.58v^0.91

式中，β为混凝土的表面放热系数，v为风速；

求解热传导方程，计算确定衬砌混凝土由初始时刻通风降温，至达到拟定的伸缩缝灌浆温度所需的时间，其中，热传导方程为：

式中，τ为时间，a为导温系数，满足a＝λ/cρ，λ为导热系数，ρ为密度，c为比热。

优选地，前述制定输水隧洞内衬伸缩缝并缝施工方案的方法包括：

依据计算出的灌浆材料强度，配置满足计算要求的延伸率及强度参数的灌浆材料；

隧洞采用通风降温的方式，依据设计值通风降温，参考并缝温度设计值，依据当地多年气温资料，选定合适的施工时间；

在隧洞内每间隔一定距离放置环境温度计，实时监测环境温度，控制温度在并缝温度设计值±0.2℃；

依据计算出的通风降温天数，在环境温度达到设计要求后指定天数后，进行并缝灌浆，施工期间控制环境温度为并缝温度设计值±0.2℃；

在水温低于灌浆温度时通水运行。

本发明所达到的有益效果：

通过调整复合衬砌接缝灌浆的措施和时机，降低灌浆后伸缩缝再度张开的风险，避免隧洞在伸缩缝处产生内外水渗漏等工程问题，为提高工程高质量建设提供支撑。

附图说明

图1是本发明计算流程图；

图2是本发明通水水温监测数据；

图3是本发明混凝土通风冷却温度变化过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，是基于衬砌变形特点，研究输水隧洞复合衬砌内衬伸缩缝接缝灌浆温度、材料特性和施工方式，达到限制衬砌收缩变形、降低衬砌温度应力、降低灌浆后伸缩缝再度张开的风险，为工程长期运行安全性提供技术支撑。

本发明公开的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一，获取隧洞工程所在地的水文、气象资料，所需的水文资料为隧洞通水运行时，洞水温全年的水温变化数据资料；所需的气象资料为工程所在地多年月平均气温。

本发明选取的实施例其多年月平均气温见表1所示，多年水温资料见图2。依据资料计算确定工程所在地多年平均气温为16℃，最低温度为3℃。

表1实施例多年月平均气温

	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月
													平均气温	-1.5	1	9	16.5	22.5	26.5	28.5	27.5	22	14	5.5	-0.5
日均最低气温	-6	-4	3	10	16	21	24	23	17	9	1	-5
													日均最高气温	3	6	15	23	29	32	33	32	27	19	10	4

步骤二，获取隧洞的设计资料，包括隧洞衬砌的结构形式、防渗体系设置、衬砌结构的几何尺寸和分缝间距。确定衬砌混凝土的应力阈值。

在本实施例中，衬砌为复合式衬砌结构，其中一衬为预制钢筋混凝土盾构管片，厚度为0.3m，二衬为现浇钢筋混凝土，厚度为0.4m，外衬管片之间设置橡胶止水，内、外衬之间设置HDPE防水卷材，分缝间距为12m，伸缩缝初始宽度为2cm。

隧洞内衬采用C35混凝土浇筑，混凝土的弹性模量E为35MPa，极限拉伸变形量ε_p为111×10^-6，混凝土的抗裂安全系数k取1.5，计算得到混凝土的应力阈值为：

步骤三，依据步骤一获取的隧洞工程运行期水温变化情况，拟定伸缩缝灌浆时间及温度。

在本实施例中，隧洞运行阶段，温度变化如图2所示，从秋季开始，温度由16℃逐渐降低至3℃，依据混凝土变形特性拟定灌浆时间为冬季，灌浆时温度为5℃。

步骤四，依据步骤三确定的灌浆时间及温度，计算确定灌浆后伸缩缝的最大变形量，即灌浆材料的最小伸长量。

实施例中，衬砌混凝土的线膨胀系数α为1×10^-5/℃，伸缩缝灌浆时初始温度T₀为5℃，灌浆后最低温度T_t为3℃，计算得到的伸缩缝灌浆后的最大变形量ε为：

ε＝α(T₀-T_t)×L＝1×10^-5×(5-3)×12＝2.4×10^-4m

步骤五，计算满足防裂要求的灌浆材料强度参数。

实施例中，伸缩缝灌浆材料的最大应变量ε₀为：

实施例采用的关键材料弹性模量E₀为2×10⁸Pa，相应的伸缩缝灌浆材料的强度σ_min为：

σ_min＝E₀ε₀＝2×10⁸×0.012＝2.4MPa

故灌浆材料与混凝土基面的粘结强度及自身的抗拉强度均需大于2.4MPa。

步骤六，计算灌浆后衬砌混凝土的最大应力，并与步骤二的应力阈值比较，判断是否满足温控防裂的要求；若不满足防裂要求，则重新拟定灌浆时间及温度，重复步骤四～步骤六，计算确定伸缩缝灌浆后的最大变形量、灌浆材料的强度参数及灌浆后衬砌混凝土的最大应力。

实施例中，衬砌混凝土的特征参数为：应力松弛系数K＝0.5，α＝1×10^-5/℃，衬砌混凝土灌浆前的约束系数R₁＝0.54，衬砌混凝土灌浆后的约束系数R₂＝0.61，泊松比μ＝0.3，混凝土初始时刻的温度T为工程所在地所年平均气温16℃，灌浆时的温度为5℃，灌浆后的最低温度为3℃，因此灌浆后混凝土的最大应力为：

计算结果表明，环境温度为5℃时对伸缩缝进行并缝灌浆，得到的混凝土最大应力小于应力阈值，满足温控防裂的要求。

步骤七，当灌浆后衬砌混凝土小于步骤二确定的最大应力阈值时，计算确定混凝土冷却至灌浆所需的稳定温度和时间间隔。

实施例，对伸缩缝进行灌浆前，通过鼓风机对隧洞进行通风降温，风速为3m/s，计算得到混凝土表面放热系数为：

β＝21.06+17.58v^0.91＝21.06+17.58×3^0.91＝69kJ/(m²·h·℃)

式中，v为风速。

求解热传导方程，计算确定衬砌混凝土由16℃时通风降温，至5℃时所需的时间。热传导方程为：

式中，τ为时间，a为导温系数，满足a＝λ/cρ，λ为导热系数，ρ为密度，c为比热。

对热传导方程进行空间、时间离散，采用有限元进行求解。实施例计算所得的降温曲线如图3所示。

结果表明经降温15天后，混凝土达到稳定温度，其中混凝土表面稳定温度为5.99℃。

步骤八，基于步骤四～步骤七，确定伸缩缝灌浆时的环境温度、环境温度达到伸缩缝灌浆要求时通风降温天数、通风冷却的风速和灌浆材料的延展性及强度参数，制定输水隧洞内衬伸缩缝并缝设计与施工方案。

实施例中，拟定工况流程为：依据步骤七确定的冷却时间和温度，对隧洞衬砌进行通风冷却降温，达到稳定温度后，进行灌浆处理，之后通水运行。

实施例的工况为：环境与混凝土初始温度为16℃，采用通风降温，风速为3m/s、目标环境温度为5℃，经15天降温，混凝土降温至稳定温度，采用抗拉强度为2.4MPa、弹性模量为2×10⁸Pa以及最小变形量为2.4×10^-4m的灌浆材料对伸缩缝进行并缝灌浆。

制定输水隧洞内衬伸缩缝并缝施工工艺。具体包括：

(a)隧洞采用通风降温的方式，依据设计值通风降温。参考并缝温度设计值，依据当地多年气温资料，选定合适的施工时间为冬季，施工温度为5℃左右；

(b)在隧洞内每间隔50m放置环境温度计，实时监测环境温度，控制温度在5±0.2℃；

(c)依据设计值，在环境温度达到5℃后，经过天进行并缝灌浆，施工期间控制环境温度为5±0.2℃；

(d)需在水温为3℃左右通水运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，获取隧洞工程所在地的水文资料、气象资料；

步骤二，获取隧洞的设计资料，确定衬砌混凝土的应力阈值；

步骤三，依据步骤一获取的隧洞工程运行期水温变化情况，拟定伸缩缝灌浆时间及温度；

步骤四，依据步骤三确定的灌浆时间及温度，计算确定灌浆后伸缩缝的最大变形量；

步骤五，计算满足防裂要求的灌浆材料强度参数；

步骤六，计算灌浆后衬砌混凝土的最大应力，并与步骤二的应力阈值比较，判断是否满足温控防裂的要求；若不满足防裂要求，则重复步骤四～步骤六，直至满足防裂要求；

步骤七，当灌浆后衬砌混凝土小于步骤二确定的最大应力阈值时，计算确定混凝土冷却至灌浆所需的稳定温度和时间间隔；

步骤八，基于步骤四～步骤七，确定伸缩缝灌浆时的环境温度、环境温度达到伸缩缝灌浆要求时通风降温天数、通风冷却的风速和灌浆材料的最小伸长量及强度参数，制定输水隧洞内衬伸缩缝并缝施工方案。

2.根据权利要求1所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，所述水文资料为隧洞通水运行时，洞水温全年的水温变化数据资料；所述气象资料为工程所在地指定时间段内的月平均气温。

3.根据权利要求1所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，所述隧洞的设计资料，包括隧洞衬砌的结构形式、防渗体系设置、衬砌结构的几何尺寸和分缝间距。

4.根据权利要求1所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，确定衬砌混凝土的应力阈值的方法如下：

式中，{σ}_max为衬砌混凝土的应力阈值，E为混凝土的弹性模量，ε_p为混凝土的极限拉伸值，k为混凝土的抗裂安全系数。

5.根据权利要求1所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，所述拟定伸缩缝灌浆时间及温度包括：

依据混凝土的温度变形特性，选定在冬季气温较低时进行灌浆处理。

6.根据权利要求1所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，所述确定灌浆后伸缩缝的最大变形量的方法为：

ε＝α(T₀-T_t)×L

式中，ε为伸缩缝灌浆后的变形量，α为混凝土的线膨胀系数，T₀为灌浆时隧洞内的气温，T_t为隧洞内运行期的最低温度，L为衬砌的长度。

7.根据权利要求6所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，所述灌浆材料强度参数的计算方法为：

式中，σ_min为灌浆材料强度，E₀为灌浆材料的弹性模量，ε₀为伸缩缝灌浆材料的最大应变量，l为伸缩缝的初始长度。

8.根据权利要求1所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，当σ_c≤{σ}_max时符合温控防裂的要求，其中

式中，K为应力松弛系数，R₁、R₂为衬砌混凝土灌浆前、后的约束系数，μ为泊松比，T为初始时混凝土的温度，α为混凝土的线膨胀系数，T₀为灌浆时隧洞内的气温，T_t为隧洞内运行期的最低温度，σ_c为灌浆后衬砌混凝土的最大应力，{σ}_max为衬砌混凝土的应力阈值。

9.根据权利要求1所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，计算确定混凝土冷却至灌浆所需的稳定温度和时间间隔，具体步骤如下：

确定混凝土表面的放热系数，计算公式为：

β＝21.06+17.58v^0.91

式中，β为混凝土的表面放热系数，v为风速；

求解热传导方程，计算确定衬砌混凝土由初始时刻通风降温，至达到拟定的伸缩缝灌浆温度所需的时间，其中，热传导方程为：

式中，τ为时间，a为导温系数，满足a＝λ/cρ，λ为导热系数，ρ为密度，c为比热。

10.根据权利要求1所述的一种输水隧洞内衬伸缩缝并缝工艺设计方法，其特征在于，制定输水隧洞内衬伸缩缝并缝施工方案的方法包括：

依据计算出的灌浆材料强度，配置满足计算要求的延伸率及强度参数的灌浆材料；

隧洞采用通风降温的方式，依据设计值通风降温，参考并缝温度设计值，依据当地多年气温资料，选定合适的施工时间；

在隧洞内每间隔一定距离放置环境温度计，实时监测环境温度，控制温度在并缝温度设计值±0.2℃；

依据计算出的通风降温天数，在环境温度达到设计要求后指定天数后，进行并缝灌浆，施工期间控制环境温度为并缝温度设计值±0.2℃；

在水温低于灌浆温度时通水运行。

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