李 錚,徐曉東,鄭沖泉,徐 康,何勇軍
(1.南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所,南京210024;2.內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭浩特137400;3.云南水投牛欄江滇池補(bǔ)水工程有限公司,昆明650051)
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,對(duì)水資源的需求越來(lái)越大,為改變水資源時(shí)空分布不均的狀態(tài),跨區(qū)域引調(diào)水工程已成為實(shí)現(xiàn)水資源合理開發(fā)利用與配置的有效途徑之一。我國(guó)已經(jīng)建成數(shù)十座大型跨流域引調(diào)水工程,如引江濟(jì)太、東深供水、引大入秦、南水北調(diào)東線、中線一期工程等。另外還有一批引調(diào)水工程正在建設(shè)或準(zhǔn)備建設(shè),如引漢濟(jì)渭、滇中引水、引江濟(jì)淮、南水北調(diào)西線工程等。長(zhǎng)距離引調(diào)水工程往往具有洞線埋深大,地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn),而對(duì)于這類大埋深引調(diào)水工程,水工隧洞是引調(diào)水工程的主要結(jié)構(gòu)物,在運(yùn)行過(guò)程中水工隧洞是否會(huì)出現(xiàn)失效與發(fā)生破壞是管理人員最為關(guān)心的問(wèn)題。圍巖穩(wěn)定是影響水工隧洞結(jié)構(gòu)安全的最主要因素,已有學(xué)者對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題開展了相關(guān)研究并提出了相應(yīng)的解決方案[1-3],而混凝土襯砌作為水工隧洞的重要組成部分,與圍巖聯(lián)合作用,達(dá)到增加圍巖穩(wěn)定性的作用,其在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行性態(tài)也是值得關(guān)注的重要方面之一。
為能夠了解水工隧洞的工作狀態(tài),確保水工隧洞在施工期和運(yùn)行期的安全并分析工程結(jié)構(gòu)運(yùn)行規(guī)律,在工程建設(shè)期,水工隧洞圍巖、襯砌等結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位會(huì)安裝各類監(jiān)測(cè)設(shè)施,實(shí)現(xiàn)對(duì)工程運(yùn)行狀態(tài)信息的反饋,在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)后,以觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。通常,利用實(shí)測(cè)資料建立統(tǒng)計(jì)模型,將效應(yīng)量作為隨機(jī)變量,不能完全反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程性態(tài),也沒(méi)有較好地聯(lián)系水工隧洞和圍巖聯(lián)合工作的本質(zhì),這類模型存在外延預(yù)報(bào)時(shí)間較短,精度較低的缺點(diǎn)[4]。而混合模型是由結(jié)構(gòu)計(jì)算獲得荷載影響部分響應(yīng),其他分量則采用統(tǒng)計(jì)模式,之后與實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合所建立的模型,這類模型即能夠反映結(jié)構(gòu)實(shí)際工況,同時(shí)又考慮環(huán)境的影響,對(duì)水工隧洞實(shí)際運(yùn)行情況有著較好的反饋?zhàn)饔?。目前關(guān)于土石壩、混凝土壩等水工建筑物的監(jiān)控模型較多,主要是以統(tǒng)計(jì)回歸模型為主對(duì)大壩的變形和滲流進(jìn)行監(jiān)控[5-7],也有使用確定性模型和混合模型對(duì)大壩變形進(jìn)行分析[8-14],但是關(guān)于引調(diào)水工程中水工隧洞結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)控模型較少。
襯砌是保證隧洞安全運(yùn)行的重要組成部分,襯砌與圍巖聯(lián)合工作,達(dá)到共同承載、增加圍巖穩(wěn)定性等作用,是承受內(nèi)外水壓力和圍巖壓力的重要承載體,其運(yùn)行安全性直接關(guān)系到隧洞結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。通常,隧洞襯砌內(nèi)部鋼筋應(yīng)力由鋼筋計(jì)直接觀測(cè)獲得,鋼筋計(jì)具有安裝埋設(shè)位置明確,測(cè)值穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。在獲得相關(guān)資料后,可較為便捷地建立相應(yīng)的模型,本文以某工程水工隧洞鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ),建立適宜的應(yīng)力混合監(jiān)控模型。
某水工隧洞布置在某引調(diào)水工程水源地大壩左岸,溢洪道右側(cè)的山體中,施工過(guò)程中地下水滲水量較小,掌子面及洞身較少發(fā)育坍塌現(xiàn)象,局部出現(xiàn)掉塊。洞身后圍巖類別比例為Ⅲ類80.4%,Ⅳ類16.5%,Ⅴ類4.1%。隧洞結(jié)構(gòu)為圓形有壓洞,全長(zhǎng)898 m,其中進(jìn)口段長(zhǎng)21 m,洞身長(zhǎng)740 m,其中里程(0+000.000~0+363.947 m)為鋼筋混凝土襯砌,里程(0+363.947+0+740)段為鋼板襯砌。選擇鋼筋混凝土襯砌段(0+305.000 m)作為監(jiān)測(cè)斷面,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè),該斷面在圓形襯砌體上部、底部、兩側(cè)中部對(duì)稱布設(shè)鋼筋計(jì),每個(gè)部位布設(shè)2 支,共布設(shè)8支鋼筋計(jì),儀器布置如圖1所示。
圖1 某水工隧洞鋼筋計(jì)分布圖Fig.1 Sketch of steel bar meter of a hydraulic tunnel
混合模型與統(tǒng)計(jì)模型的不同點(diǎn)在于,其部分分量由結(jié)構(gòu)計(jì)算獲得。通常,在運(yùn)用于水工隧洞時(shí),作用在襯砌上的主要荷載包括襯砌自重、圍巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力及溫度作用等[15]。
水工隧洞襯砌中應(yīng)力主要與內(nèi)水壓力、外水壓力、溫度、時(shí)效等相關(guān),即:
式中:σH,σH′,σT,σθ分別為應(yīng)力的內(nèi)水壓力、外水壓力、溫度和時(shí)效分量。
對(duì)于水工壓力隧洞,圍巖壓力、襯砌自重所引起的襯砌應(yīng)力甚小,可忽略不計(jì)。若洞徑小于6 m或均勻內(nèi)水壓力更大,這兩類荷載引起的應(yīng)力所占比例更小,所以內(nèi)水壓力是水工壓力隧洞的控制荷載,只計(jì)算其應(yīng)力即可滿足工程設(shè)計(jì)要求。對(duì)于水工壓力隧洞,溫度荷載是絕對(duì)不容忽視的,當(dāng)溫度應(yīng)力與內(nèi)水壓力聯(lián)合作用時(shí),提高了襯砌的總應(yīng)力水平[16]。因此,此處內(nèi)水壓力引起的應(yīng)力可采用公式計(jì)算值,溫度荷載和時(shí)效因素則采用統(tǒng)計(jì)模型聯(lián)合建立混合模型。下面就主要應(yīng)力分量計(jì)算進(jìn)行分別闡述。
1.2.1 內(nèi)水壓力
內(nèi)水壓力包括靜水壓力和動(dòng)水壓力,本次建立的應(yīng)力混合模型主要是對(duì)隧洞應(yīng)力進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)控,該水工隧洞主要?jiǎng)铀畨毫?lái)自于每年檢修時(shí)水輪機(jī)導(dǎo)葉的迅速關(guān)閉及生態(tài)補(bǔ)水時(shí)閥門的開啟等作業(yè),該水工隧洞運(yùn)行過(guò)程中受到動(dòng)水壓力作用的條件較少,因此本次分析中暫不考慮動(dòng)水壓力的影響,分析中所指內(nèi)水壓力主要是指靜水壓力。根據(jù)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算,主要荷載是均勻的內(nèi)水壓力,其壓力強(qiáng)度值等于從隧洞斷面中心線至庫(kù)水位的水柱高度減去計(jì)算斷面處的總水頭損失后,再乘以水的容重,即:
式中:γw為水的容重,H0為隧洞斷面中心線至庫(kù)水位水柱高度;hw為計(jì)算斷面處總水頭損失;H為以計(jì)算斷面中心線為基準(zhǔn)的測(cè)壓管水頭,即計(jì)算水位線至洞中心線的高度。
當(dāng)以內(nèi)水壓力為主要荷載時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)、外圈的鋼筋應(yīng)力可按以下公式(3),(4)和(5)計(jì)算:
式中:σgi為襯砌內(nèi)圈鋼筋應(yīng)力;σg0為襯砌外圈鋼筋應(yīng)力;p為內(nèi)水壓力;ri為襯砌內(nèi)半徑;r0為襯砌外半徑;k0為圍巖的單位彈性抗力系數(shù);Eg為鋼筋的彈性模量;fi為內(nèi)圈鋼筋單位長(zhǎng)度的斷面面積;f0為外圈鋼筋單位長(zhǎng)度的斷面面積;Eh為混凝土的彈性模量。
根據(jù)該工程竣工驗(yàn)收技術(shù)鑒定設(shè)計(jì)工作報(bào)告地質(zhì)部分,該部位揭露巖石為長(zhǎng)石石英砂巖夾薄層狀紫紅色泥巖,弱風(fēng)化狀[17]。其彈性抗力系數(shù)取值可參照文獻(xiàn)[18]表3中湖南漁潭工程中類似巖性取值,即取5×106kN/m3,鋼筋彈性模型和混凝土彈性模量則參照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)取值,其余測(cè)值根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)計(jì)算獲得,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 隧洞鋼筋應(yīng)力計(jì)算參數(shù)取值表Tab.1 Calculating parameter for steel stress in tunnel
1.2.2 外水壓力
根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C 外水壓力計(jì)算方法表明,混凝土襯砌隧洞,可根據(jù)圍巖地下水活動(dòng)情況,選用相應(yīng)的外水壓力折減系數(shù),在洞壁干燥條件下,外水壓力折減系數(shù)βe取值為0~0.20,而當(dāng)有內(nèi)水組合時(shí)取小值。結(jié)合本工程實(shí)際情況,隧洞內(nèi)壁經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查表面干燥,外水壓力折減系數(shù)取0,即不考慮外水壓力影響。
1.2.3 溫度分量
當(dāng)襯砌混凝土溫度達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)后,襯砌內(nèi)的溫度主要受隧洞內(nèi)水溫和圍巖溫度的影響,因此,溫度分量可用下列模式:
式中:Ti第i支溫度計(jì)的變溫值,等于第i溫度計(jì)的當(dāng)日溫度減去初始溫度;m2為溫度計(jì)的總數(shù)量。
1.2.4 時(shí)效分量
應(yīng)力的時(shí)效分量主要體現(xiàn)了混凝土的徐變等因素引起的應(yīng)力,根據(jù)混凝土的徐變規(guī)律,σθ用下式表示:
按照以上步驟建立的襯砌鋼筋應(yīng)力混合模型如下:
即襯砌內(nèi)圈鋼筋應(yīng)力為:
襯砌外圈鋼筋應(yīng)力為:
由于隧洞鋼筋計(jì)R4 損壞,測(cè)值缺失。對(duì)隧洞斷面上部、下部及腰部?jī)?nèi)R1、R2、R5、R6、R7 和R8 進(jìn)行多元回歸擬合分析,獲得水工隧洞襯砌內(nèi)外圈鋼筋計(jì)擬合參數(shù)及相關(guān)性指標(biāo)如表2所示,其中R5、R6 擬合曲線如圖2、3所示。從擬合曲線和擬合參數(shù)來(lái)看,總體模擬效果較好,其中R2 和R6 的相關(guān)系數(shù)較高,分別為0.994 和0.987。R1 測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低,僅為0.631,根據(jù)原始數(shù)據(jù)分析該測(cè)點(diǎn)在2017年3月份存在測(cè)值不連續(xù)現(xiàn)象,從而導(dǎo)致相關(guān)性較低。其中鋼筋應(yīng)力符號(hào)按照《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL551-2012)[19]執(zhí)行,即以拉為正,反之為負(fù)。
圖2 鋼筋計(jì)R5應(yīng)力實(shí)測(cè)與擬合曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of curves between measured and fitting value of steel bar stress meter R5
表2 水工隧洞襯砌鋼筋計(jì)擬合參數(shù)及相關(guān)性系數(shù)Tab.2 Fitting parameter and coefficient of steel bar stress meter of lining of hydraulic tunnel
結(jié)合以上模型建立過(guò)程,可以根據(jù)擬合參數(shù)分別給出隧洞各部位鋼筋計(jì)的混合模型回歸方程,如表3所示。
表3 混合模型的表達(dá)式Tab.3 Equation of hybrid model
圖3 鋼筋計(jì)R6應(yīng)力實(shí)測(cè)與擬合曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of curves between measured and fitting value of steel bar stress meter R6
參照文獻(xiàn)[20]混凝土壩混合模型監(jiān)控指標(biāo)的擬定原則,其監(jiān)控預(yù)報(bào)原則是當(dāng)時(shí),為正常;時(shí),持續(xù)觀測(cè)2~3 次,若無(wú)異常變化,為正常,否則為異常;當(dāng)為異常,需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)一步分析。
以R5和R6為例,測(cè)點(diǎn)歷史測(cè)值為基礎(chǔ),各測(cè)點(diǎn)最大和最小值分別為7.04,3.19 和18.41,6.23 MPa,按照監(jiān)控模型預(yù)報(bào)原則給出該斷面測(cè)點(diǎn)監(jiān)控預(yù)警值如所表4所示。即當(dāng)R5 測(cè)值在2.86~7.37 MPa時(shí),R6測(cè)值在5.91~18.72 MPa時(shí),測(cè)值屬于正常;當(dāng)R5 測(cè)值大于7.53 MPa 或小于2.70 MPa,R6 測(cè)值大于18.88MPa 或小于5.76 MPa 時(shí),測(cè)值異常,需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況和測(cè)值過(guò)程線分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因,并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和必要的巡查。
表4 鋼筋應(yīng)力監(jiān)控預(yù)警指標(biāo)值 MPaTab.4 Monitoring and warning value of steel bar stress
水工隧洞是長(zhǎng)距離引調(diào)水工程中的主要結(jié)構(gòu)物,其在運(yùn)行過(guò)程中的表現(xiàn)需要給予長(zhǎng)期的關(guān)注以確保其運(yùn)用安全。文中以隧洞襯砌鋼筋應(yīng)力的實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ),建立了隧洞襯砌鋼筋應(yīng)力的混合模型并擬定了監(jiān)控指標(biāo),為其長(zhǎng)期運(yùn)行提供了有益的參考,得出的主要結(jié)論如下:
(1)所建立的水工隧洞襯砌鋼筋應(yīng)力混合模型中,內(nèi)水壓力部分分量由結(jié)構(gòu)計(jì)算獲得,溫度和時(shí)效因素由統(tǒng)計(jì)方法獲得,既能夠反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工況,又同時(shí)考慮環(huán)境的影響,適合水工隧洞長(zhǎng)期安全監(jiān)控的需要。
(2)以水工隧洞典型襯砌斷面鋼筋計(jì)為例,對(duì)其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多元回歸擬合,其擬合相關(guān)性普遍較好。
(3)以鋼筋計(jì)的歷史測(cè)值為依據(jù),提出了襯砌內(nèi)外圈鋼筋應(yīng)力的監(jiān)控預(yù)警值,該指標(biāo)可用于水工隧洞長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)控,為了解隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力性態(tài)提供參考?!?/p>