输水隧洞粘钢加固效果影响因素的有限元分析

陈锦庆，曹生荣

(1. 深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518036；2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

近年来，为了解决地区间水资源分布不均的问题，我国的跨流域引调水工程建设发展迅速。越来越多的输水隧洞投入运营使用。但由于运行期受力环境的变化以及结构材料不可避免的性能老化等众多因素的影响，水工输水隧洞衬砌混凝土常会出现掉块、开裂、渗漏等各种病害[1]。这些病害的存在会导致输水隧洞衬砌结构的安全性、稳定性和耐久性，部分病害的持续发展甚至可能会引起隧洞坍塌等重大安全事故。因此，需要适时对隧洞衬砌结构采取合适的补强加固措施。粘钢加固法由于具有施工便捷、自重较小、加固效果良好等优点在水工输水隧洞衬砌结构补强加固中的应用越来越广泛，如花凉亭水库引水隧洞裂缝粘钢加固处理[2]、回龙抽水蓄能电站尾水隧洞粘钢加固处理[3]等。

目前已有的相关研究成果大多是粘钢加固混凝土梁的影响因素研究[4-9]，相关研究表明：粘钢加固混凝土梁的主要影响因素有钢板厚度和材料强度、胶层厚度及粘结性能等。而水工隧洞衬砌结构与混凝土梁结构存在较大差别，其区别主要在于水工隧洞衬砌结构的荷载、结构与材料本构关系更加复杂，开展试验研究更加困难。现有的水工隧洞粘钢加固工作主要依据相关工程经验开展，缺乏对加固效果影响因素及主要技术参数选择的系统分析，其理论性有待进一步提升。故本文以深圳市东江水源工程年丰6#支线隧洞段作为案例，开展相应的有限元数值模拟研究，分析水工隧洞粘钢加固影响因素，对优化加固方案、提升加固效果具有较强的现实意义[10]，以期给相关工程提供参考。

1 有限元建模

本计算模型范围取为以隧洞底板中心为原点，采用笛卡尔坐标系，上至顶部，下、左、右各25 m，沿水流方向长度取5 m。对模型底部施加全约束，左右面及前后面施加法向约束。计算考虑的荷载包括重力、内水压力(3.5 m水头)、外水压力(0.6 MPa)。

整体有限元模型如图1所示，衬砌与其附属部分模型关系如图2所示。

图1 整体有限元模型图(单位：m)

图2 衬砌与附属部分模型关系图

2 主要影响因素及计算分析

2.1 加固方案设计

为分析粘钢加固主要影响因素对加固效果的影响，依据工程资料并参考相关案例，设计了6种粘钢加固方案(方案0未加固方案，表中不列出)，各加固方案的影响因素设置情况如表1所述。

表1 粘钢加固方案 mm

为得到各个因素对加固效果影响的结论，将上述加固方案中，就钢板厚度，选取方案4与1、方案5与2进行对比；就钢板材料，选取方案2与1、方案5与4进行对比；就胶层厚度，选取方案1与3、方案5与6进行对比。

2.2 计算结果及处理

以下是通过有限元模拟计算得到不同加固方案的计算结果，并对数据进行处理。

1)衬砌变形量。衬砌的变形主要有顶拱沉降、边墙凹陷、底板隆起这三个特征量，如图3所示。它们是对应位置在变形前后所产生的最大位移差值。变形量结果统计如表2所示。

图3 特征变形量示意图

表2 变形结果统计 mm

2)衬砌开裂范围。在衬砌各部分的单元划分尺寸相同的条件下，统计开裂单元的位置和数量即可定性分析开裂位置并定量分析开裂范围的体积。开裂单元数量除以衬砌某部分的单元总数量即为开裂范围占比，再乘以该部分的体积即为开裂范围的体积。根据隧洞划分尺寸可计算出各部分的体积。该计算洞段的底板体积为1 158.8 dm3；顶拱的体积为1 661.1 dm3；左、右边墙的体积均为770.6 dm3；开裂范围的结果如表3所示。

表3 开裂范围计算结果(0.6 MPa外水压力条件下)

根据衬砌开裂结果及模型的对称性，取5条主要代表性裂缝，位置分别是顶拱外侧起拱处、边墙内侧中部、边墙外侧底部、底板外侧端部和底板内侧中部，如图4所示。

图4 裂缝位置图

本文选取衬砌变形量、开裂范围占比和最大裂缝宽度作为粘钢加固加固效果的三个评价指标表征量。

2.2.1 钢板厚度的影响

将方案4、方案5的加固效果表征量结果作为基准，计算方案1、方案2对应结果的变化值，对比分析由于钢板厚度增大对粘钢加固加固效果的影响。方案4与方案1、方案5与方案2的计算结果变化值对比分析如图5～7所示。

图5 衬砌变形量变化值对比图

图6 开裂范围占比变化值对比图

图7 最大裂缝宽度变化值对比图

通过方案4与方案1、方案5与方案2的计算结果变化值对比图可以分析得出，其他条件相同时，钢板厚度从6 mm增大到10 mm后，衬砌变形量整体呈减少趋势，其中顶拱沉降变形略微减少，边墙凹陷变形和底板隆起变形明显减少，边墙凹陷变形均减少0.3 mm以上，底板隆起变形均减少了0.7 mm以上。开裂范围占比结果整体呈减少趋势，底板和边墙位置的开裂范围占比均明显减少，减少值范围从0.5%至2.5%。最大裂缝宽度也是呈减少趋势，其中裂缝5宽度减少了0.04 mm，裂缝2宽度减少了0.02 mm，裂缝3宽度减少了约0.15 mm，裂缝1与裂缝4的宽度变化值相对较小。所有结果均是减少趋势，说明加固效果整体变好。

故由上述计算分析可知，增大钢板厚度会对粘钢加固的加固效果造成显著的有利影响。加固钢板从6 mm增大到10 mm后，衬砌的变形量、开裂范围和最大裂缝宽度三个指标都有较大幅度地减少，取得了更好的加固效果。随着钢板厚度增大，钢板整体刚度变大，所承担的外力荷载也会增大，从而改善了衬砌混凝土不良的受力状态，能取得更好的加固效果。但增大钢板厚度会提高加固界面稳定所需的粘结应力，从而导致加固钢板更易发生剥离破坏。文献[11]中表述采用手工涂胶粘贴的钢板厚度不应大于5 mm，采用压力注胶粘贴的钢板厚度不应大于10 mm。故建议在胶层粘结能力较强，锚固措施较好的条件下适当提高粘钢加固钢板的厚度，以提升加固效果。

2.2.2 钢板材料强度的影响

将方案2、方案5的加固效果表征量结果作为基准，计算方案1、方案4对应结果的变化值，对比分析由于钢板材料强度增大对粘钢加固加固效果的影响。方案2与方案1、方案5与方案4的计算结果变化值对比分析如图8～10所示。

图8 衬砌变形量变化值对比图

图9 开裂范围占比变化值对比图

图10 最大裂缝宽度变化值对比图

通过方案2与方案1、方案5与方案4的计算结果变化值对比图可以分析得出，其他条件相同时，将碳素结构钢更换为“轻质高强”的合金结构钢，提升了钢板材料强度之后，衬砌变形量整体呈减少趋势，其中顶拱沉降变形减少值很小，边墙凹陷变形和底板隆起变形减少值较大，边墙凹陷变形均减少0.1 mm以上，底板隆起变形均减少了0.2 mm以上。开裂范围占比结果整体呈减少趋势，但两组对比结果中边墙位置的开裂范围占比存在较大差别。方案5与4对比结果的变化量更大，说明提升钢板材料强度在钢板厚度为6 mm条件下的影响更大，在钢板厚度为10 mm条件下的影响较小。开裂范围占比减少值范围从0.7%至3%。最大裂缝宽度也呈减少趋势，其中裂缝5宽度减少了0.013 mm，裂缝3宽度平均减少了0.007 mm，其他三条裂缝宽度变化值相对较小。所有结果均是减少趋势，说明加固效果整体变好。

故由上述计算分析可知，改善钢板的材料性能对粘钢加固的加固效果有一定程度的有利影响，但对加固效果的提升不如增大钢板厚度影响大。选用密度更小、弹性模量更大、屈服强度更大的“轻质高强”钢板材料进行粘钢加固后，衬砌的变形量、开裂范围和最大裂缝宽度三个指标在一定程度上都有减少，取得了更好的加固效果。故建议改善钢板的材料性能，选用“轻质高强”的钢板材料进行粘钢加固。

2.2.3 胶层厚度的影响

将方案1、方案5的加固效果表征量结果作为基准，计算方案3、方案6对应结果的变化值，对比分析由于胶层厚度增大对粘钢加固加固效果的影响。方案1与方案3、方案5与方案6的计算结果变化值对比分析如图11～13所示。

图11 衬砌变形量变化值对比图

图12 开裂范围占比变化值对比图

通过方案1与方案3、方案5与方案6的计算结果变化值对比图可以分析得出，其他条件相同时，胶层厚度从2 mm增大到4 mm后，衬砌变形量整体呈减少趋势，其中顶拱沉降变形变化很小，边墙凹陷变形和底板隆起变形减少值也不大，边墙凹陷变形减少值在0.05mm以内，底板隆起变形均减少值在0.15mm以内。开裂范围占比两组对比结果差异较大。第一组方案1与方案3的对比结果表明开裂范围占比变大，左边墙和底板开裂占比增大了1%；第二组方案5与方案6的结果表明开裂范围占比变小，边墙开裂占比减少了3%，其他位置减少值很小。这说明增大胶层厚度在钢板材料强度较小，厚度为6 mm的条件下影响较大，在钢板材料强度较大，厚度为10 mm的条件下影响很小甚至造成不利影响。最大裂缝宽度变化结果也相似，变化范围在增大0.005 mm至减少0.005 mm之间。所有结果变化较小，趋势不完全相同，说明加固效果整体没有明显变好。

图13 最大裂缝宽度变化值对比图

故由上述计算分析可知，增大胶层厚度对粘钢加固的加固效果影响很小，衬砌的变形量、开裂范围和最大裂缝宽度三个指标的值减少不明显，第一组对比结果还出现了增大的情况。可知，在钢板材料强度较大，厚度较大的加固条件下，胶层作为衬砌混凝土和粘贴钢板之间的粘结传力体，其本身并不能显著提高加固材料的整体刚度。所以，通过增大胶层厚度来提升粘钢加固的加固效果是没有意义的。且如果胶层厚度较大，固化收缩后可能会使得钢板无法有效地粘贴在衬砌混凝土表面。故为了保证良好的粘结性能，粘钢加固的胶层厚度较小会更好。

3 结 语

本文结合深圳市东江水源工程年丰6#隧洞的工程实例，对输水隧洞粘钢加固的三个主要影响因素进行了数值模拟分析，主要结论如下：通过不同参数组合的6种粘钢加固方案，以粘钢加固加固效果评价指标中的衬砌变形量、开裂范围占比和最大裂缝宽度三个指标作为评价标准，通过有限元建模计算对比分析了钢板厚度、钢板材料强度、胶层厚度三个因素对加固效果的影响。结果表明：随着钢板厚度增大，钢板整体刚度变大，能取得更好的加固效果；选用“轻质高强”的钢板材料，加固效果更好；增大胶层厚度对提升加固效果并无显著作用。建议在胶层粘结能力较强，锚固措施较好的条件下适当增大钢板厚度，减小胶层厚度，选用“轻质高强”的钢板材料。