CN115539131A - 含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验方法及装置 - Google Patents

含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验方法及装置 Download PDF

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CN115539131A CN202211174554.4A CN202211174554A CN115539131A CN 115539131 A CN115539131 A CN 115539131A CN 202211174554 A CN202211174554 A CN 202211174554A CN 115539131 A CN115539131 A CN 115539131A
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章鹏
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汪小刚
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郭凯
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王玉杰
宋春华
刘立鹏
英鹏涛
张琪琦
黄鹤程
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Guangxi University
China Institute of Water Resources and Hydropower Research
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Abstract

本发明公开了一种含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置及方法。试验装置由圆柱形筒体、含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌、围岩、土工布、前法兰盘、后法兰盘和监测仪器构成。紧挨圆柱形筒体的内壁为围岩，围岩的内侧为含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌；前、后法兰盘固定在圆柱形筒体的两端。利用试验装置对压力隧洞进行充排水试验，观测预制裂缝宽度的变化，以及压力隧洞的运行状态。与现有试验装置和方法相比，本发明可以准确捕捉到钢筋混凝土衬砌压力隧洞在充排水运行过程中内水外渗演化、衬砌结构受力、衬砌裂缝宽度变化以及衬砌与围岩接触状态的动态演化特征，反映出钢筋混凝土衬砌压力隧洞真实的运行工作性状和机制。

Description

含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验方法及装置
技术领域
本发明涉及一种以钢筋混凝土(简称钢筋砼)衬砌压力隧洞模型为研究对象的充排水试验装置及试验方法，具体地说，涉及一种以含预制裂缝钢筋混凝土衬砌压力隧洞模型为研究对象的充排水试验装置及试验方法。本发明属于水利水电工程中透水衬砌压力隧洞工程技术领域。
背景技术
高水头压力隧洞是水电站和抽水蓄能电站引水系统的重要组成部分，隧洞衬砌结构的设计是工程建设的重点和难点。近年来，钢筋混凝土衬砌是高水头压力隧洞常用的一种衬砌结构型式，但是，由于在高水头作用下，压力隧洞的混凝土衬砌会发生开裂透水现象，并在高外渗水流的作用下引起压力隧洞的衬砌与围岩发生分离，导致压力隧洞的运行工作机制及水力传导行为发生显著地变化，给压力隧洞使用期内的安全性造成一定的隐患。
特别是，目前，对于压力隧洞混凝土衬砌开裂后，隧洞在充排水过程中衬砌裂缝的宽度是如何变化的？衬砌与围岩是如何协同工作的？以及两者是如何分担水荷载的？业内工程设计人员认识尚不清楚。
纵观当前研究现状，目前关于混凝土衬砌压力隧洞的物理模型试验研究较少，尚处于探索阶段，而且现有模型试验装置均无法有效地监测到衬砌裂缝宽度的变化过程。受施工质量、温度效应以及衬砌与围岩贴合程度等影响，在高水头作用下压力隧洞混凝土衬砌的开裂位置表现出很大的随机性，在试验前是无法事先预测出衬砌的开裂位置，故目前的试验装置无法通过预先布置测缝计准确有效地监测到衬砌裂缝宽度的变化。即使在衬砌内布设若干根连续的光纤传感器，由于其在衬砌浇筑过程中易被损坏，试验中经常失效而无法有效地监测到裂缝宽度的变化，因此现有的模型试验装置难以捕捉到充排水过程中压力隧洞衬砌裂缝宽度的变化规律。
隧洞充排水过程中混凝土衬砌及钢筋的受力演化与衬砌开裂的位置是密切相关的，如前所述。由于试验前无法事先预测出衬砌的开裂位置，因此试验时预先布置的应变计和钢筋计等监测仪器具有很大的偶然性，导致试验中很难监测到衬砌开裂部位处及其它未开裂部位处的受力变化情况，故现有的模型试验装置无法准确揭示出钢筋混凝土衬砌压力隧洞充排水过程中真实的运行工作性状。另外，现有的物理模型试验多数进行的是充水试验，主要关注于充水过程中钢筋混凝土衬砌的开裂特征及衬砌结构的受力情况，并未关注衬砌开裂后高压水流在衬砌与围岩缝隙内的流动以及由此引起的衬砌与围岩接触状态的变化，以及排水过程中衬砌与围岩的相互作用及其承载特性的变化。
由于现有模型试验装置无法有效地监测到衬砌裂缝的宽度变化过程，导致工程设计人员和施工人员无法掌握钢筋混凝土衬砌压力隧洞充排水过程中真实的运行工作性状，以及充排水过程中衬砌与围岩的相互作用及其承载特性的变化。
因此，为了确保钢筋混凝土衬砌压力隧洞设计的安全性与合理性，急需一种模拟混凝土衬砌压力隧洞发生裂缝后对其进行充排水试验的装置，以检验混凝土压力隧洞发生裂缝后其在充排水工况下的运行工作性状是否满足设计要求，为混凝土衬砌压力隧洞的设计提供有价值的参考依据。
发明内容
针对现有高水头混凝土衬砌压力隧洞物理模型试验及试验装置存在的不足，本发明的目的是提供一种含预制裂缝的钢筋混凝土(简称钢筋砼)衬砌压力隧洞充排水试验装置及试验方法。该试验装置可模拟钢筋混凝土衬砌压力隧洞发生裂缝后的充排水工作状态，准确地捕捉钢筋混凝土衬砌压力隧洞在充排水运行过程中衬砌裂缝宽度的变化，由此而引起的压力隧洞内水外渗演化、衬砌结构受力以及衬砌与围岩接触状态的动态演化过程。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置，它由圆柱形筒体、含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌、围岩、土工布、前法兰盘、后法兰盘和监测仪器构成；
所述圆柱形筒体为一刚性金属筒，其壁厚dthreshold满足如下要求：
dthreshold≥1.05d (1)
式中，dthreshold和d分别为圆柱形筒体壁厚的设计值和标准值(m)；其中，d由如下公式确定：
Figure BDA0003864685170000021
式中，rs为圆柱形筒体的外径，单位m；
Figure BDA0003864685170000031
为圆柱形筒体所用钢材的极限抗拉强度，单位MPa；pt为压力隧洞设计水头，单位MPa；
紧挨所述圆柱形筒体的内壁为所述围岩，所述围岩的内侧为所述含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌；所述前法兰盘和后法兰盘分别固定在所述圆柱形筒体的两端形成一密闭的可充排水的内水加载腔；
所述监测仪器包括用来监测充排水过程中所述裂缝宽度变化的测缝计和用于监测压力隧洞运行状况的钢筋计、应变计、渗压计和土压力计；所述监测仪器布设在所述裂缝内壁、钢筋混凝土衬砌内以及钢筋混凝土衬砌和围岩之间；
所述土工布铺设在所述围岩和钢筋混凝土衬砌之间；所述土工布的厚度应使所述含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌的环向应力σθ和环向应变εθ满足下列关系：
σθ1＜σθ＜σθ2 (3)
εθ1＜εθ＜εθ2 (4)
其中，σθ1和εθ1分别为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌的外壁在刚性约束下衬砌的环向应力和环向应变；
σθ2和εθ2分别为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌的外壁为自由边界时衬砌的环向应力和环向应变；
其中，σθ1和εθ1、σθ2和εθ2可根据如下公式确定：
Figure BDA0003864685170000032
Figure BDA0003864685170000033
Figure BDA0003864685170000034
Figure BDA0003864685170000041
式中：pcrack为预估的压力隧洞衬砌开裂内水压力值(MPa)，取值为1.1MPa；
a为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌内径；b为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌外径；r为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌任一点至圆心的距离；
υ为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌材料泊松比；
E为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌材料弹性模量。
优选地，所述含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌由混凝土浇筑养护成型；其内垂直于压力隧洞纵轴间隔地布设有若干根环向钢筋，平行于压力隧洞纵轴间隔地布设有若干根纵向钢筋；
在所述钢筋混凝土衬砌的内壁上预置有一条裂缝。
优选地，在所述含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌内，沿压力隧洞轴线方向、间隔地选取五个垂直于压力隧洞轴线的监测断面A-A、B-B、C-C、D-D和E-E；
所述测缝计布设在包含有预制裂缝的监测断面的裂缝处；
以所述圆柱形筒体顶部中心处为0°方向，按顺时针方向分别在所述A-A、B-B、C-C、D-D、E-E监测断面的350°、20°、90°、135°、180°位置处布设所述钢筋计和所述应变计，每个监测断面上的所述钢筋计和应变计距离压力隧洞中心轴线的距离相等；
以所述圆柱形筒体顶部中心处为0°方向，按顺时针方向分别在所述A-A、B-B、C-C、D-D、E-E监测断面的340°、5°、90°、135°、180°位置处、衬砌外壁上布设所述土压力计和渗压计，两者布置间距为6cm。
优选地，所述钢筋计捆绑在或焊接在所述环向钢筋上；所述应变计埋设在所述钢筋混凝土衬砌内；所述土压力计和渗压计布设在所述钢筋混凝土衬砌的外壁上。
优选地，所述裂缝的深度为6厘米，两端与所述圆柱形筒体端部的距离为15厘米。
优选地，所述前法兰盘的外侧面上设有若干条加劲肋，其上开有用于与所述圆柱形筒体相连的螺栓孔；在所述前法兰盘的中间区域，与压力隧洞的洞孔对应处，安装有压力表，设有内水加载接头和线缆导出孔；
所述后法兰盘的外侧面上设有若干条加劲肋，其上开有用于与所述圆柱形筒体相连的螺栓孔；在所述后法兰盘的中间区域，与压力隧洞的洞孔对应处设有内腔排水接头；
在所述前法兰盘、后法兰盘与圆柱形筒体之间增设有密封圈。
利用上述含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置进行压力隧洞充排水试验的方法，包括如下步骤：
S1、向试验装置形成的内水加载腔内逐级充排水，模拟压力隧洞内水压力加卸载工作状态；
将加压水泵连接至前法兰盘的内水加载接头上，对内水加载腔进行逐级充水，当逐级充水阶段结束后，打开后法兰盘的内腔排水接头进行逐级排水；
充水压力为0.5Mpa的充水步数、充水总步数、充排水的总步数如下：
Figure BDA0003864685170000051
Figure BDA0003864685170000052
Stotal＝2×S (11)
式中：S1为充水压力等于0.5Mpa的步数，S为充水的总步数；Stotal为充排水的总步数；p1为0.5Mpa的充水压力，pt为压力隧洞设计水头，单位MPa，取值为1.5MPa，Δp为逐级充排水压力的加载和卸载幅值，单位MPa，取值为0.05MPa；
在对内水加载腔进行逐级充排水时，每一级充排水加压或卸压的时长为：
Figure BDA0003864685170000053
式中：Tk为第k级充排水加压或卸压的时长，k为逐级充排水的步数；
在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，读取压力表示数，记录内水压力变化情况；
S3、在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，实时记录含预制裂缝的钢筋混凝土衬砌裂缝宽度的变化；
S3、在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，实时记录钢筋计、应变计、渗压计、土压力计采集的衬砌内钢筋应力、混凝土环向应变、渗流场、衬砌与围岩之间接触力等试验数据。
与现有的压力隧洞物理模型试验技术相比，本发明具有以下优点：
(1)、本发明能够有效捕捉钢筋混凝土衬砌压力隧洞在充排水运行过程中衬砌开裂后的裂缝宽度变化过程，解决了以往钢筋混凝土衬砌压力隧洞物理模型试验只能获取试验结束后无内外水压力时的裂缝宽度而无法获取整个试验过程中裂缝宽度演化过程的问题。
(2)、本发明在含预制裂缝钢筋混凝土衬砌和围岩之间铺设土工布，可以实现高内水在衬砌开裂后沿着裂缝快速充入衬砌与围岩的接触部位，真实地反映出实际工程中，在衬砌开裂后高内水沿裂缝外渗进入衬砌与围岩接触部位中流动的情形。
(3)、本发明可以根据预制裂缝的位置，通过相应地布设测缝计、应变计、钢筋计、渗压计和土压力计等监测仪器，准确捕捉钢筋混凝土衬砌压力隧洞在充排水运行过程中衬砌裂缝宽度、内水外渗、衬砌结构受力、以及衬砌与围岩接触状态的动态演化特征，可以反映出四者彼此间的互馈作用过程以及高水头压力隧洞钢筋混凝土衬砌与围岩的协同工作机制。
附图说明
图1是本发明含预制裂缝钢筋混凝土衬砌压力隧洞充排水试验装置立体结构示意图；
图2是本发明压力隧洞充排水试验装置纵向剖面结构示意图；
图3是本发明图2压力隧洞充排水试验装置横向Ⅰ-Ⅰ剖面结构示意图；
图4是本发明图2压力隧洞充排水试验装置横向Ⅱ-Ⅱ剖面结构示意图；
图5是本发明压力隧洞充排水试验装置圆柱形筒体结构示意图；
图6A是本发明浇筑含预制裂缝钢筋混凝土衬砌用的内模具结构示意图；
图6B是本发明浇筑含预制裂缝钢筋混凝土衬砌用的外模具结构示意图；
图6C是本发明浇筑含预制裂缝钢筋混凝土衬砌组合后模具结构示意图；
图7是本发明实施例监测断面位置示意图；
图8A是本发明图7中A-A监测断面监测仪器布置位置示意图；
图8B是本发明图7中B-B监测断面监测仪器布置位置示意图；
图8C是本发明图7中C-C监测断面监测仪器布置位置示意图；
图8D是本发明图7中D-D监测断面监测仪器布置位置示意图；
图8E是本发明图7中E-E监测断面监测仪器布置位置示意图；
图9A是本发明前法兰盘外侧面结构示意图；
图9B是本发明前法兰盘内侧面结构示意图；
图10A是本发明后法兰盘外侧面结构示意图；
图10B是本发明后法兰盘内侧面结构示意图；
图11是本发明圆柱形筒体顶部线缆导出口结构示意图；
图12是本发明压力隧洞逐级充排水方案示意图。
其中，1、圆柱形筒体，11凸耳，111、螺栓连接孔，12、线缆导出口，121、顶部法兰盘，122、线缆导出孔，123、密封垫，13、底座；2、含预制裂缝钢筋混凝土衬砌，21、环向钢筋，22、纵向钢筋，23、裂缝；3、围岩；4、土工布；5、前法兰盘，51、加劲肋，52、螺栓孔，53、压力表，54、内水加载接头，55、线缆导出孔；6、后法兰盘，61、加劲肋，62、螺栓孔，63、内腔排水接头；7、内模具，71、竖直钢板；8、含预制裂缝钢筋混凝土衬砌浇筑外模具；91、钢筋计，92、应变计，93、测缝计，94、渗压计，95、土压力计；101、密封圈，102、穿心螺杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1-图5所示，本发明公开的含预制裂缝钢筋混凝土衬砌压力隧洞充排水试验装置为一圆柱形压力筒，它由圆柱形筒体1、含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌2、围岩3、土工布4、前法兰盘5、后法兰盘6和各种监测仪器构成。
圆柱形筒体1为一刚性金属筒，其两端设有用于与前、后法兰盘5和6连接的凸耳11，凸耳11上间隔地开有若干个螺栓连接孔111。在圆柱形筒体1的顶部设有线缆导出口12，其底部设有固定支脚13。
在充水试验时，由于圆柱形筒体需要承受水压力，故圆柱形筒体的壁厚应满足如下要求：
dthreshold≥1.05d (1)
式中，dthreshold和d分别为圆柱形筒体壁厚的设计值和标准值(单位m)；其中，d由如下公式确定：
Figure BDA0003864685170000081
式中，rs为圆柱形筒体的外径(m)；
Figure BDA0003864685170000082
为圆柱形筒体所用钢材的极限抗拉强度(MPa)；pt为压力隧洞设计水头(MPa)。
在本发明较佳实施例中，所述圆柱形筒体1为一长度为1.0米、直径为1.5米、壁厚为2厘米的铁皮筒。
紧挨圆柱形筒体1的内壁为围岩3，围岩3由高标号混凝土浇筑养护成型。在本发明较佳实施例中，围岩3由混凝土浇筑而成，其厚度为23厘米。
围岩3的内侧为钢筋混凝土衬砌2。钢筋混凝土衬砌2由混凝土浇筑养护成型；其内垂直于隧洞纵轴间隔地布设有若干根环向钢筋21，平行于隧洞纵轴间隔地布设有若干根纵向钢筋22。为研究压力隧洞混凝土衬砌开裂产生裂缝后，压力隧洞充排水运行过程中各物理特征的动态演化过程，本发明较佳实施例中，在压力隧洞钢筋混凝土衬砌的内壁预置有一条平行于压力隧洞纵轴的裂缝23，裂缝23深度h1为6厘米，两端距离圆柱形筒体端部的距离d1为15厘米。(参见图6A)。
图6A是本发明浇筑含预制裂缝钢筋混凝土衬砌用的内模具结构示意图，图6B是本发明浇筑含预制裂缝钢筋混凝土衬砌用的外模具结构示意图，图6C是内外模具组合后结构示意图。如图6A-图6C所示，本发明在浇筑混凝土衬砌的内模具7的外壁上，与压力隧洞轴线平行地设置有一块竖直钢板71，用于浇筑衬砌时形成预制裂缝23。竖直钢板71的宽度h1为6厘米，两端距内模具7端部的距离d1为15厘米。竖直钢板71可以焊接在内模具7的外壁上，也可以通过螺栓和螺母固定在内模具的外壁上。在浇筑混凝土衬砌2时，将内模具7、外模具8和后法兰盘6组装好，形成一用于浇筑混凝土衬砌的组合模具，内模具7和外模具8的内径大小及两者之间的距离可根据要浇筑的钢筋混凝土衬砌2的厚度调整，然后，在内、外模具之间捆绑好环向钢筋21和纵向钢筋22，然后，进行混凝土浇筑，形成含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌压力隧洞。
压力隧洞充水后，钢筋混凝土衬砌2沿预制的裂缝23开裂，为保证混凝土衬砌开裂后，压力隧洞内的内水沿裂缝23外渗，进入衬砌，在到达衬砌2与围岩3之间时在两者之间快速流动，而不是进一步进入围岩3，久而久之造成围岩3与衬砌2脱离，以及，防止压力隧洞后续充水过程中钢筋混凝土衬砌2产生新的裂缝影响预制裂缝23宽度变化的规律，进而影响因裂缝23宽度的变化引起的压力隧洞内水外渗演化、衬砌结构受力以及衬砌与围岩接触状态的动态演化过程的分析，本发明在含预制裂缝钢筋混凝土衬砌2的外壁和围岩3的内壁之间铺设一层土工布4。
土工布4的厚度应使含预制裂缝钢筋混凝土衬砌2的环向应力σθ和环向应变εθ满足下列关系：
σθ1＜σθ＜σθ2 (3)
εθ1＜εθ＜εθ2 (4)
其中，σθ1和εθ1分别为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌的外壁在刚性约束下衬砌的环向应力和环向应变；
σθ2和εθ2分别为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌的外壁为自由边界时衬砌的环向应力和环向应变。
其中，σθ1和εθ1、σθ2和εθ2可根据如下公式确定：
Figure BDA0003864685170000091
Figure BDA0003864685170000092
Figure BDA0003864685170000093
Figure BDA0003864685170000094
式中：pcrack为预估的压力隧洞衬砌开裂内水压力值(MPa)，取值为1.1MPa；
a为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌内径；b为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌外径；r为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌内任一点至圆心的距离；
υ为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌材料泊松比；
E为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌材料弹性模量。
在本发明较佳实施例中，土工布4铺设在含预制裂缝钢筋混凝土衬砌2的外壁上，并用柔性粘胶进行粘贴。
本发明通过在钢筋混凝土衬砌2内预制裂缝23来诱导衬砌从此处发生开裂，为了准确地捕捉钢筋混凝土衬砌发生裂缝后压力隧洞的充排水工作状态，观察、分析裂缝宽度的变化，以及由于裂缝宽度的变化可能引起的压力隧洞物理特性的动态变化过程，本发明在钢筋混凝土衬砌内布设了各种监测仪器，包括并不限于若干支钢筋计91、应变计92、测缝计93、渗压计94和土压力计95。布置的测缝计93用来监测充排水过程中裂缝23宽度的变化，本发明还根据预制裂缝23的位置，布设钢筋计91、应变计92、渗压计94和土压力计95等监测仪器，捕捉压力隧洞充排水过程中的运行工作性状。
如图7所示，为了获得压力隧洞充排水过程中钢筋应力、混凝土环向应变、衬砌裂缝宽度变化、渗流场、衬砌与围岩之间的接触力等试验数据，本发明在含有预制裂缝钢筋混凝土衬砌内，沿压力隧洞轴线方向、间隔地选取五个垂直于压力隧洞轴线的监测断面A-A、B-B、C-C、D-D和E-E。
如图8B-图8D所示，在包含有预制裂缝23的监测断面例如B-B、C-C、D-D监测断面裂缝23处布设测缝计93。
如图8A-图8E所示，以圆柱形筒体1顶部中心处为0°方向，按顺时针方向分别在A-A、B-B、C-C、D-D、E-E监测断面的350°、20°、90°、135°、180°位置处布设一支钢筋计91，每个监测断面上的钢筋计91距离压力隧洞中心轴线的距离相等。在本发明实施例中，可以在每个监测断面上只布设一支钢筋计，例如在A-A监测断面的350°处布设一支钢筋计，在B-B监测断面的20°处布设一支钢筋计，在C-C监测断面的90°处布设一支钢筋计，在D-D监测断面的135°处布设一支钢筋计，在E-E监测断面的180°处布设一支钢筋计；也可以在每个监测断面的350°、20°、90°、135°、180°位置处各布设一支钢筋计。
以圆柱形筒体1顶部中心处为0°方向，按顺时针方向分别在A-A、B-B、C-C、D-D、E-E监测断面的350°、20°、90°、135°、180°位置处布设一支应变计92，每个监测断面上的应变计92距离压力隧洞中心轴线的距离相等。在本发明实施例中，可以在每个监测断面上只布设一支应变计92，例如在A-A监测断面的350°处布设一支应变计，在B-B监测断面的20°处布设一支应变计，在C-C监测断面的90°处布设一支应变计，在D-D监测断面的135°处布设一支应变计，在E-E监测断面的180°处布设一支应变计；也可以在每个监测断面的350°、20°、90°、135°、180°位置处各布设一支应变计。
同理，以圆柱形筒体1顶部中心处为0°方向，按顺时针方向分别在A-A、B-B、C-C、D-D、E-E监测断面的340°、5°、90°、135°、180°位置处、衬砌2外壁上布设一支土压力计94和一支渗压计95，两者布置间距为6cm。
本发明实施例中，可以在每个监测断面上只布设一支土压力计94和一支渗压计95，例如在A-A监测断面的340°处布设一支土压力计94和一支渗压计95，在B-B监测断面的5°处布设一支土压力计94和一支渗压计95，在C-C监测断面的90°处布设一支土压力计94和一支渗压计95，在D-D监测断面的135°处布设一支土压力计94和一支渗压计95，在E-E监测断面的180°处布设一支土压力计94和一支渗压计95；也可以在每个监测断面的340°、5°、90°、135°、180°位置处均布设一支土压力计94和一支渗压计95。
在含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌浇筑前，将钢筋计91捆绑在或焊接在环向钢筋21上，将应变计92通过连接件与衬砌内模具7的外壁或衬砌外模具8的内壁相连；将土压力计95和渗压计96通过连接件固定在衬砌外模具8的内壁上。钢筋混凝土衬砌浇筑好后，将测缝计93固定在预制裂缝23的内壁上。
为了模拟压力隧洞充排水工作状态，如图1、图2所示，本发明在圆柱形筒体1的两端分别连接固定有前法兰盘5和后法兰盘6。含预制裂缝的钢筋混凝土衬砌2的内壁与前法兰盘5、后法兰盘6形成一密闭的可充、排水的内水加载腔。如图9A和图9B所示，前法兰盘5的外侧面上设有若干条加劲肋51，其上开有用于与圆柱形筒体1相连的螺栓孔52。在前法兰盘5的中间区域，与压力隧洞的洞孔对应处，安装有压力表53，设有内水加载接头54和线缆导出孔55。如图10A和图10B所示，后法兰盘6的外侧面上也设有若干条加劲肋61，其上开有用于与圆柱形筒体1相连的螺栓孔62。在后法兰盘6的中间区域，与压力隧洞的洞孔对应处设有内腔排水接头63。
为了增强密封性，本发明在前法兰盘5、后法兰盘6与圆柱形筒体1之间增设有密封圈，且前、后法兰盘之间还通过穿过压力隧洞洞孔的穿心螺杆10进一步相连。
试验时，内水通过加压水泵、前法兰盘的内水加载接头54对内水加载腔进行充水，即注入压力隧洞内，试验完毕后，通过后法兰盘的内腔排水接头63排出。在整个试验过程中，通过各种监测仪器监测钢筋混凝土衬砌压力隧洞在充排水过程中内水外渗演化、衬砌结构受力、衬砌裂缝宽度变化以及衬砌与围岩接触状态的动态演化特征，以厘清四者彼此间的互馈作用过程，揭示高水头压力隧洞钢筋混凝土衬砌与围岩的协同工作机制。
埋设在衬砌内的各种监测仪器的电源线和数据线按照就近的原则，从前法兰盘的线缆导出孔55和圆柱形筒体1顶部的线缆导出口12穿出。如图11所示，圆柱形筒体1顶部的线缆导出口12通过螺栓固定有一顶部法兰盘121，顶部法兰盘121上开有线缆导出孔122，在顶部法兰盘121与线缆导出口12之间增设有密封垫122。
利用上述含预制裂缝钢筋混凝土衬砌压力隧洞充排水试验装置进行压力隧洞充排水试验的方法包括如下步骤：
S1、向试验装置形成的内水加载腔内逐级充排水，模拟压力隧洞内水压力加卸载工作状态；
将加压水泵连接至前法兰盘的内水加载接头54上，如图12所示，对内水加载腔进行逐级充水，当逐级充水阶段结束后，打开后法兰盘的内腔排水接头63进行逐级排水。
充水压力为0.5Mpa的充水步数、充水总步数、充排水的总步数如下：
Figure BDA0003864685170000121
Figure BDA0003864685170000122
Stotal＝2×S (11)
式中：S1为充水压力等于0.5Mpa的步数，S为充水的总步数；Stotal为充排水的总步数；p1为0.5Mpa的充水压力，pt为压力隧洞设计水头(MPa)，取值为1.5MPa，Δp为逐级充排水压力的加载和卸载幅值(MPa)，取值为0.05MPa。
在对内水加载腔进行逐级充排水时，每一级充排水加压或卸压的时长为：
Figure BDA0003864685170000131
式中：Tk为第k级充排水加压或卸压的时长，k为逐级充排水的步数。
在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，读取压力表53示数，记录内水压力变化情况；
S3、在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，实时记录含预制裂缝的钢筋混凝土衬砌裂缝宽度的变化；
S3、在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，实时记录钢筋计、应变计、渗压计、土压力计采集的衬砌内钢筋应力、混凝土环向应变、渗流场、衬砌与围岩之间接触力等试验数据。
本发明与现有技术相比，本发明通过在钢筋混凝土衬砌中预制裂缝来诱导衬砌从此处发生开裂，由此不仅可以通过布置测缝计来监测充排水过程中裂缝宽度的变化，而且还可以根据预制裂缝的位置，并通过相应地布设应变计、钢筋计、渗压计和土压力计等监测仪器，准确捕捉到压力隧洞充排水过程中的运行工作性状。另外，还通过在衬砌与围岩之间布设一定厚度的土工布，以保证衬砌开裂后内水沿裂缝外渗后进入衬砌与围岩间进行快速流动，使得衬砌由受拉转为受压，防止后续充水过程中衬砌产生新的裂缝，进而影响预制裂缝宽度的变化规律。为研究分析钢筋混凝土衬砌压力隧洞在充排水过程中内水外渗、衬砌结构受力、衬砌裂缝宽度、以及衬砌与围岩接触状态的动态演化特征，厘清四者彼此间的互馈作用过程，揭示高水头压力隧洞钢筋混凝土衬砌与围岩的协同工作机制提供依据。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置，其特征在于：它由圆柱形筒体、含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌、围岩、土工布、前法兰盘、后法兰盘和监测仪器构成；
所述圆柱形筒体为一刚性金属筒，其壁厚dthreshold满足如下要求：
dthreshold≥1.05d (1)
式中，dthreshold和d分别为圆柱形筒体壁厚的设计值和标准值(m)；其中，d由如下公式确定：
Figure FDA0003864685160000011
式中，rs为圆柱形筒体的外径，单位m；
Figure FDA0003864685160000012
为圆柱形筒体所用钢材的极限抗拉强度，单位MPa；pt为压力隧洞设计水头，单位MPa；
紧挨所述圆柱形筒体的内壁为所述围岩，所述围岩的内侧为所述含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌；所述前法兰盘和后法兰盘分别固定在所述圆柱形筒体的两端形成一密闭的可充排水的内水加载腔；
所述监测仪器包括用来监测充排水过程中所述裂缝宽度变化的测缝计和用于监测压力隧洞运行状况的钢筋计、应变计、渗压计和土压力计；所述监测仪器布设在所述裂缝内壁、钢筋混凝土衬砌内以及钢筋混凝土衬砌和围岩之间；
所述土工布铺设在所述围岩和钢筋混凝土衬砌之间；所述土工布的厚度应使所述含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌的环向应力σθ和环向应变εθ满足下列关系：
σθ1＜σθ＜σθ2 (3)
εθ1＜εθ＜εθ2 (4)
其中，σθ1和εθ1分别为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌的外壁在刚性约束下衬砌的环向应力和环向应变；
σθ2和εθ2分别为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌的外壁为自由边界时衬砌的环向应力和环向应变；
其中，σθ1和εθ1、σθ2和εθ2可根据如下公式确定：
Figure FDA0003864685160000021
Figure FDA0003864685160000022
Figure FDA0003864685160000023
Figure FDA0003864685160000024
式中：pcrack为预估的压力隧洞衬砌开裂内水压力值，单位MPa；
a为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌内径；b为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌外径；r为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌任一点至圆心的距离；
υ为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌材料泊松比；
E为含预制裂缝钢筋混凝土衬砌材料弹性模量。
2.根据权利要求1所述的含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置，其特征在于：所述含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌由混凝土浇筑养护成型；其内垂直于压力隧洞纵轴间隔地布设有若干根环向钢筋，平行于压力隧洞纵轴间隔地布设有若干根纵向钢筋；
在所述钢筋混凝土衬砌的内壁上预置有一条裂缝。
3.根据权利要求2所述的含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置，其特征在于：在所述含有预制裂缝的钢筋混凝土衬砌内，沿压力隧洞轴线方向、间隔地选取五个垂直于压力隧洞轴线的监测断面A-A、B-B、C-C、D-D和E-E；
所述测缝计布设在包含有预制裂缝的监测断面的裂缝处；
以所述圆柱形筒体顶部中心处为0°方向，按顺时针方向分别在所述A-A、B-B、C-C、D-D、E-E监测断面的350°、20°、90°、135°、180°位置处布设所述钢筋计和所述应变计，每个监测断面上的所述钢筋计和应变计距离压力隧洞中心轴线的距离相等；
以所述圆柱形筒体顶部中心处为0°方向，按顺时针方向分别在所述A-A、B-B、C-C、D-D、E-E监测断面的340°、5°、90°、135°、180°位置处、衬砌外壁上布设所述土压力计和渗压计，两者布置间距为6cm。
4.根据权利要求3所述的含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置，其特征在于：所述钢筋计捆绑在或焊接在所述环向钢筋上；
所述应变计埋设在所述钢筋混凝土衬砌内；
所述土压力计和渗压计布设在所述钢筋混凝土衬砌的外壁上。
5.根据权利要求4所述的含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置，其特征在于：所述裂缝的深度为6厘米，两端与所述圆柱形筒体端部的距离为15厘米。
6.根据权利要求5所述的含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置，其特征在于：所述前法兰盘的外侧面上设有若干条加劲肋，其上开有用于与所述圆柱形筒体相连的螺栓孔；在所述前法兰盘的中间区域，与压力隧洞的洞孔对应处，安装有压力表，设有内水加载接头和线缆导出孔；
所述后法兰盘的外侧面上设有若干条加劲肋，其上开有用于与所述圆柱形筒体相连的螺栓孔；在所述后法兰盘的中间区域，与压力隧洞的洞孔对应处设有内腔排水接头；
在所述前法兰盘、后法兰盘与圆柱形筒体之间增设有密封圈。
7.利用权利要求1-6之一所述的含预制裂缝钢筋砼衬砌压力隧洞充排水试验装置进行压力隧洞充排水试验的方法，包括如下步骤：
S1、向试验装置形成的内水加载腔内逐级充排水，模拟压力隧洞内水压力加卸载工作状态；
将加压水泵连接至前法兰盘的内水加载接头上，对内水加载腔进行逐级充水，当逐级充水阶段结束后，打开后法兰盘的内腔排水接头进行逐级排水；
充水压力为0.5Mpa的充水步数、充水总步数、充排水的总步数如下：
Figure FDA0003864685160000031
Figure FDA0003864685160000032
Stotal＝2×S (11)
式中：S1为充水压力等于0.5Mpa的步数，S为充水的总步数；Stotal为充排水的总步数；p1为0.5Mpa的充水压力，pt为压力隧洞设计水头，单位MPa，取值为1.5MPa，Δp为逐级充排水压力的加载和卸载幅值，单位MPa，取值为0.05MPa；
在对内水加载腔进行逐级充排水时，每一级充排水加压或卸压的时长为：
Figure FDA0003864685160000041
式中：Tk为第k级充排水加压或卸压的时长，k为逐级充排水的步数；
在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，读取压力表示数，记录内水压力变化情况；
S3、在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，实时记录含预制裂缝的钢筋混凝土衬砌裂缝宽度的变化；
S3、在对内水加载腔进行逐级充排水过程中，实时记录钢筋计、应变计、渗压计、土压力计采集的衬砌内钢筋应力、混凝土环向应变、渗流场、衬砌与围岩之间接触力等试验数据。
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