嚴(yán)振瑞， 劉通勝， 陳震， 姚廣亮， 李長永， 趙順波

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510635； 2.華北水利水電大學(xué) 黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046；3.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450045)

我國幅員遼闊，區(qū)域水資源不平衡問題突出，跨區(qū)域調(diào)水是改善民生、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大工程措施。隨著工程復(fù)雜性與環(huán)境保護(hù)要求的提高，輸水隧洞已成為長距離輸水工程的主要構(gòu)筑物。因隧洞洞徑、內(nèi)外水壓、圍巖條件的不同，襯砌受力狀態(tài)較為復(fù)雜[1-2]。為確保輸水工程的安全性，明確隧洞受力狀態(tài)和工程設(shè)計的可靠性至關(guān)重要，通過地面原型試驗進(jìn)行隧洞襯砌受力性能研究已成為工程設(shè)計可靠性與施工關(guān)鍵技術(shù)有效性驗證的重要舉措。

對于襯砌內(nèi)水壓試驗，能否準(zhǔn)確地施加水荷載關(guān)系到襯砌受力性能測試結(jié)果的合理性，其中內(nèi)水壓加載裝置是關(guān)鍵試驗裝備之一。黃河小浪底排沙洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌的模型試驗采用現(xiàn)場1∶1立式結(jié)構(gòu)模型，襯砌(內(nèi)徑6.5 m)內(nèi)部填充混凝土，并與襯砌間預(yù)留縫隙，通過向縫隙內(nèi)注水加壓模擬內(nèi)水壓力，最大水壓可達(dá)1.2 MPa，但縫隙頂部連接處的封堵難度較高[1,3]。對于引松工程輸水總干線壓力隧洞洞內(nèi)原位試驗，襯砌內(nèi)徑為6.9 m，采用洞內(nèi)澆筑反力支撐鋼筋混凝土筒與襯砌內(nèi)表面形成空腔，空腔內(nèi)安裝若干個弧形扁千斤頂(由厚度為1 mm的薄鋼板焊制而成的中空壓力囊)，并用絲扣液壓鋼管連接使水壓聯(lián)通，通過高壓水泵注水，使其產(chǎn)生徑向變形(最大徑向變形達(dá)80 mm)，從而將壓力直接作用在環(huán)錨襯砌和反力支撐上，最高實際加壓達(dá)到0.7 MPa，實現(xiàn)了內(nèi)水壓力加載[4-5]。珠江三角洲水資源配置工程的“外襯管片—自密實混凝土層—內(nèi)襯鋼管”疊合式1∶1襯砌結(jié)構(gòu)模型試驗，采用管體內(nèi)部反力鋼架支撐12個均布于鋼內(nèi)襯內(nèi)壁的特制柔性囊體(由超高分子聚乙烯纖維、芳綸纖維等高強(qiáng)纖維及多層橡膠蒙皮材料制成)構(gòu)成承壓自平衡體系，囊體內(nèi)注水最大壓力達(dá)0.8 MPa，可對隧洞施加等效內(nèi)水壓1.025 MPa[6-7]。

上述研究為高內(nèi)水壓試驗裝置的研發(fā)提供了重要參考，但內(nèi)水壓高于1.0 MPa的加載裝置仍處于研發(fā)空白。本文根據(jù)珠江三角洲水資源配置工程輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌現(xiàn)場1∶1原型試驗的內(nèi)水壓高達(dá)1.3 MPa的要求，提出了洞內(nèi)支撐反力鋼架上敷設(shè)鋼筒與襯砌內(nèi)表面形成空腔，向空腔內(nèi)注水直接進(jìn)行內(nèi)水壓加載的新裝置。通過結(jié)構(gòu)力學(xué)計算與三維有限元分析，明確了加載裝置各構(gòu)件在水壓試驗時的應(yīng)力狀態(tài)。研究成果為解決高內(nèi)水壓輸水隧洞原型試驗加載問題提供了依據(jù)。

1 內(nèi)水壓加載裝置設(shè)計

1.1 工程現(xiàn)場原型試驗概況

珠江三角洲水資源配置工程是優(yōu)化珠江三角洲地區(qū)東、西部水資源利用的國家重點建設(shè)工程，干線工程單線盾構(gòu)隧洞長為30.5 km、內(nèi)徑為6.4 m，采用環(huán)錨無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌厚度為0.55 m，混凝土強(qiáng)度等級為C50，設(shè)計最大內(nèi)水壓力為1.30 MPa[8]。為了研究襯砌結(jié)構(gòu)的施工關(guān)鍵技術(shù)和襯砌受力性能，優(yōu)化洞內(nèi)施工工藝、提升襯砌技術(shù)水平，確保工程建設(shè)質(zhì)量及可靠運行，在工程現(xiàn)場開展了預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌1∶1原型洞外試驗研究，試驗段總長度為9.96 m。

1.2 內(nèi)水壓加載裝置設(shè)計方法

原型試驗要求對襯砌結(jié)構(gòu)施加真實內(nèi)水壓力，內(nèi)水壓加載裝置的剛度需足夠承受高水壓力而不對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力。為此，內(nèi)水壓加載裝置的主體為與襯砌內(nèi)表面形狀協(xié)同的筒形裝置，在端部加焊環(huán)板與預(yù)埋于襯砌混凝土端部內(nèi)表面的鋼板通過焊接方式近似柔性連接，實現(xiàn)空腔端部密封。通過向空腔內(nèi)注水可直接對襯砌內(nèi)表面施加真實的內(nèi)水壓力，且能夠檢驗襯砌混凝土的抗?jié)B能力。

內(nèi)水壓加載裝置沿軸向為筒形截面空心梁，能夠在原型試驗隧洞內(nèi)整體滑入和滑出，以便多次加載使用和加載后對襯砌內(nèi)表面狀態(tài)進(jìn)行檢查與檢測。其剛度應(yīng)滿足最大水壓、滑入和滑出自重等作用下的變形控制要求。

根據(jù)上述設(shè)計理念，內(nèi)水壓加載裝置主體部分的截面采用雙層鋼筒混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示，沿軸向為筒形截面梁，如圖2所示。由于鋼筒外徑大于內(nèi)徑的1.1倍，可按厚壁圓筒理論計算鋼筒內(nèi)層和混凝土的應(yīng)力[9]。以最大水壓作用下的環(huán)向應(yīng)力控制內(nèi)外層鋼板厚度，由于裝置在承受最大水壓力時混凝土作為承載主體，內(nèi)外鋼筒厚度應(yīng)盡可能減小以便于焊接。根據(jù)厚壁圓筒理論，在裝置內(nèi)表面布置工25b環(huán)撐以減小其徑向變形。根據(jù)梁的承載特點，環(huán)撐沿軸向在水壓加載區(qū)域和邊界按照1/4加載長度等間距布置以減小徑向變形。裝置端部同時設(shè)置環(huán)撐以加強(qiáng)鋼筒施工過程中的穩(wěn)定性。

圖2 內(nèi)水壓加載裝置軸向截面圖(單位：mm)

內(nèi)水壓加載裝置在自重作用下沿軸向滑入、滑出時，其跨中變形可按照簡支梁計算，容許變形l0/400，下部板滿足規(guī)范SL 191—2008[10]的最小配筋率要求。但考慮裝置的滑入、滑出和水壓力作用時可能會產(chǎn)生鋼板與混凝土分離的情況，所以在裝置底部設(shè)置沿縱向的上下兩排工10型鋼，以提高底部板承載能力，加強(qiáng)混凝土與鋼板在此處的黏結(jié)。

內(nèi)外鋼筒連接肋的間距，根據(jù)規(guī)范GB/T 50214—2013[11]規(guī)定的拉壓構(gòu)件的容許撓度l0/1 000，按照一次性澆筑高度為0.8 m，經(jīng)計算取值為1.1 m。因此，連接肋軸向間距取1.0 m，環(huán)向間距取20°，肋板寬度為0.1 m。

空腔結(jié)構(gòu)是水壓加載成功的關(guān)鍵，豎板外側(cè)的平衡水平力推板按照5°間距布置，其直線間距為0.283 m，端部外伸間距為0.2 m。根據(jù)規(guī)范DL/T 5054—2016[12]規(guī)定，將空腔分割成以肋板間隔的圓環(huán)，計算得到空腔壁厚12.8 mm，考慮厚度的偏差、磨損和安全，取20 mm。

根據(jù)規(guī)范SL 281—2003[13]，試驗水壓力不小于正常工況最高內(nèi)水壓力的1.25倍，因此取1.65 MPa的內(nèi)水壓力進(jìn)行抗浮計算。為保持內(nèi)水壓加載裝置支撐位置穩(wěn)定，加載裝置自重應(yīng)大于浮力。

1.3 設(shè)計計算成果

為實現(xiàn)試驗?zāi)Ｐ酮毩⒓訅旱哪康?，避免加載裝置支撐基礎(chǔ)沉降對襯砌結(jié)構(gòu)的影響，內(nèi)水壓加載裝置架設(shè)在獨立基礎(chǔ)上。試驗?zāi)Ｐ烷L度為9.96 m，內(nèi)水壓加載裝置的長度為14.00 m，如圖2所示。以三維剖切展示的內(nèi)水壓加載裝置如圖3所示。

圖3 內(nèi)水壓加載裝置安裝圖

按照加載裝置的自重應(yīng)大于內(nèi)水壓為1.65 MPa時的浮力的計算要求，將加載裝置設(shè)計成變截面形式。筒體拱腰以上部位厚度為420 mm，底部厚度為680 mm，拱腰以下部位與底部用平滑圓弧相連，填充混凝土強(qiáng)度等級為C50。

內(nèi)水壓加載裝置用鋼等級均為Q235，雙層鋼筒的鋼板厚度為12 mm，環(huán)撐采用工25b型鋼，底部縱梁上下翼緣采用工10型鋼，襯砌端部預(yù)埋鋼板厚度為20 mm。各組件幾何尺寸如圖1和圖2所示。

2 有限元分析驗證

2.1 有限元模型

內(nèi)水壓加載裝置構(gòu)成相對復(fù)雜，各組成部件受力相互影響，按照構(gòu)件設(shè)計方法得到的計算結(jié)果具有一定的相似性。為保證裝置的可靠性，采用有限元方法進(jìn)行應(yīng)力與變形分析驗證。采用ANSYS有限元軟件建立的三維有限元模型如圖4所示。為真實反映加載裝置與襯砌間的相互作用，有限元模型由襯砌結(jié)構(gòu)及其支座、加載裝置及其支墩組成。

圖4 內(nèi)水壓加載裝置有限元分析模型

內(nèi)水壓加載裝置有限元分析模型的混凝土采用SOLID65三維實體單元，內(nèi)外鋼筒和空腔組件采用SHELL63殼單元，環(huán)撐和工型鋼采用BEAM188梁單元。模型材料均采用彈性本構(gòu)，材料參數(shù)(密度、泊松比、彈性模量、強(qiáng)度)按規(guī)范規(guī)定取值[10，14]。空腔內(nèi)水壓力以均布荷載形式施加。有限元模型單元共計43 212個節(jié)點、43 334個單元。將1.65 MPa內(nèi)水壓力轉(zhuǎn)化為面力施加在相應(yīng)位置。在結(jié)果分析時，以頂部豎直向下為0°位置，沿逆時針方向增大圓心角的形式確定單元位置。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力分析

在1.65 MPa水壓力作用下，內(nèi)水壓加載裝置的雙層鋼筒應(yīng)力和空腔鋼板應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 內(nèi)外鋼筒和空腔鋼板應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖5可知，雙層鋼筒應(yīng)力最大值為85.10 MPa，襯砌內(nèi)表面預(yù)埋鋼板挑出段的應(yīng)力最大值為201.00 MPa。由于環(huán)撐和工10型鋼應(yīng)力較小，只給出最大應(yīng)力值，其中環(huán)撐應(yīng)力最大值為98.00 MPa，底部工10型鋼的應(yīng)力最大值為22.20 MPa，均小于Q235鋼材的抗拉強(qiáng)度，滿足規(guī)范應(yīng)力要求[14]。

2.3 填充混凝土應(yīng)力分析

根據(jù)厚壁圓筒理論，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析分別考慮徑向應(yīng)力σr、環(huán)向應(yīng)力σθ和縱向應(yīng)力σz。當(dāng)只承受外部壓力時，混凝土的內(nèi)表面徑向應(yīng)力σr最小。因此，僅分析填充混凝土內(nèi)表面跨中環(huán)撐位置和兩道環(huán)撐的中間截面的環(huán)向應(yīng)力σθ和縱向應(yīng)力σz?？紤]結(jié)構(gòu)的對稱性，圓心角范圍取0°～180°，如圖6所示，其中壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值。

圖6 填充混凝土內(nèi)表面應(yīng)力圖

在跨中環(huán)撐截面位置，環(huán)向應(yīng)力(KZ-σθ)在0°位置最大拉應(yīng)力為2.80 MPa，在80°位置最大壓應(yīng)力為-12.92 MPa；縱向應(yīng)力(KZ-σz)在0°位置最大拉應(yīng)力為1.72 MPa。在兩道環(huán)撐中間截面位置，環(huán)向應(yīng)力(ZJ-σθ)在0°位置的最大拉應(yīng)力為3.35 MPa，在80°位置的最大壓應(yīng)力為-13.22 MPa；縱向應(yīng)力(ZJ-σz)在0°位置的最大拉應(yīng)力為2.03 MPa。

相對于兩道環(huán)撐中間截面位置的應(yīng)力狀態(tài)，環(huán)撐處的環(huán)向拉應(yīng)力減小19.6%，環(huán)向壓應(yīng)力減小2.3%，縱向拉應(yīng)力減小18.0%。這表明環(huán)撐明顯減小了混凝土內(nèi)表面的拉應(yīng)力，但環(huán)向和徑向拉應(yīng)力略大于規(guī)范要求值[10]。由于有限元模型采用了共節(jié)點方式，考慮到混凝土被鋼筒包裹，內(nèi)表面的鋼板最大拉應(yīng)力較小，工10型鋼的拉應(yīng)力僅為22.20 MPa，因此混凝土受拉仍是安全的。

2.4 加載裝置的變形分析

內(nèi)水壓加載裝置在滑入、滑出過程中受自身重力作用產(chǎn)生的徑向變形如圖7所示。取裝置底部和頂部外表面位置的豎向變形，其中頂部位移自端部到跨中逐漸減小，最大位移位于端部，為-0.71 mm，最小位移位于跨中，為-0.56 mm。由于底部位移在支座范圍內(nèi)變形極小，所以舍去該部分?jǐn)?shù)據(jù)，位移在軸向長度1～13 m范圍內(nèi)取值，自端部到跨中位置的位移逐漸增大，最大值位于跨中，為0.46 mm，最小值位于端部，為-0.10 mm。因此，加載裝置最大變形滿足小于l0/400的要求。

圖7 加載裝置豎向變形圖

內(nèi)水壓加載裝置承受1.65 MPa內(nèi)水壓力時，分別取跨中截面(KZ-R)和跨中兩道環(huán)撐中間截面(ZJ-R)分析其徑向變形，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：由于環(huán)撐的作用，跨中截面和中間截面在拱腰以下變形略大，有利于拱腰以下分擔(dān)受力；拱腰以上變形略小，有效地阻礙了徑向收縮；裝置底部出現(xiàn)向上拱起現(xiàn)象，在跨中截面位移為-1.90 mm，拱肩以上部位向內(nèi)收縮，在拱腰附近向外變形，最大位移位于80°位置，最大值為0.46 mm。

圖8 加載裝置徑向變形圖

3 結(jié)論

1)研發(fā)了可施加1.30 MPa內(nèi)水壓力的加載裝置。由鋼梁和鋼框支承雙層鋼筒，并在鋼筒內(nèi)灌注混凝土形成鋼筒混凝土承壓筒。在鋼筒與隧洞襯砌內(nèi)表面預(yù)留100 mm間隙，襯砌兩端部內(nèi)表面預(yù)埋外伸鋼板與鋼筒端部環(huán)板焊接形成密閉空腔，通過向空腔內(nèi)注入壓力水實現(xiàn)對襯砌內(nèi)表面的水壓加載。

2)基于厚壁圓筒理論設(shè)計的內(nèi)水壓加載裝置的填充材料為混凝土，在內(nèi)水壓力作用下整個圓弧段處于受壓狀態(tài)，可充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能，實現(xiàn)大斷面、高水壓輸水隧洞襯砌高內(nèi)水壓的加載。

3)內(nèi)水壓加載裝置按照承受1.65 MPa內(nèi)水壓進(jìn)行理論設(shè)計。通過三維有限元分析，其應(yīng)力和變形滿足承受安全系數(shù)不小于最高內(nèi)水壓力的1.25倍的現(xiàn)場原型試驗要求。

4)在高內(nèi)水壓作用下，內(nèi)水壓加載裝置的環(huán)撐減小了內(nèi)水壓加載裝置底部平直段反拱引起的混凝土拉應(yīng)力，有利于拱腰以下分擔(dān)受力，拱腰以上變形略小，有效阻礙了徑向收縮。