水工隧洞衬砌混凝土温控防裂技术研究

李 钰

(河南省水利第二工程局， 郑州 450046)

0 引 言

随着水利水电工程建设的不断推进和发展，水工隧洞建设工程量不断加大。在水工隧洞建设施工中，由于受到水压的不确定和非恒稳性因素的影响，导致水工隧洞的抗拉和抗压性能不好，水工隧洞衬砌混凝土容易产生裂缝。应建立水工隧洞衬砌混凝土裂缝的控制模型，结合温度控制和压力控制的方法，进行水工隧洞衬砌混凝土温控防裂设计，提高水工隧洞衬砌混凝土的可靠性和稳定性，从而提高水工隧洞的施工质量水平。因此，研究水工隧洞衬砌混凝土温控防裂技术，在工程施工中具有重要意义[1]。

在水工隧洞衬砌混凝土温控防裂施工中，由于衬砌初次开裂的特点是裂缝间距较大，裂缝宽度正比于裂缝间距，之前对裂缝的计算多采用经验计算法的方法，在柔度、抗外压能力、安全性和维护修补寿命周期测算中都具有较大的随机性[2]。文献[3]中设计预应力铝合金筋嵌入式补强钢筋混凝土梁裂缝分析与计算方法，通过预应力以及预应力水平测量，对嵌入式补强混凝土梁试件破坏模式，通过预应力计算裂缝宽度，提高预应力水平，降低裂缝扩展，但该方法受到最大裂缝宽度的影响。文献[4]中提出确定压力隧洞混凝土衬砌初裂间距的钢筋混凝土曲梁法，考虑配筋量、衬砌曲率、内水压力、围岩的法向因素影响，结合钢筋混凝土曲梁分析，进行水工隧洞衬砌混凝土防裂设计，该方法在几个工程的现场试验中取得了明显效果，但受到内水压力不稳定性影响较大。对此，本文设计一种改进的水工隧洞衬砌混凝土温控防裂技术，首先基于水工隧洞衬砌混凝土裂缝的开裂位置以及开裂宽度估计，采用预应力检测方法，建立水工隧洞衬砌混凝土温控裂纹估计模型；然后进行施工进度、温度应力、地质条件、混凝土性能多维参数分析，结合实验分析，实现水工隧洞衬砌混凝土温控防裂性能测试。

1 水工隧洞衬砌混凝土裂缝分布结构模型和参数模拟

1.1 水工隧洞衬砌混凝土裂缝分布结构模型

基于水平荷载和位移参数分析，建立水工隧洞衬砌混凝土温控防裂的控制参数模型，通过试件的滞回应力特征分析，进行水工隧洞衬砌混凝土裂缝分布结构模型设计。通过分析水工隧洞衬砌混凝土裂缝基坑的空间部分应力响应，采用数据监测和参数估计，分析在裂缝状态下止水结构的施工质量、止水效果；根据土力学及渗流力学[5]，在水工隧洞衬砌混凝土裂缝尺寸的2～5倍大小作为计算范围，根据裂缝的沉降监测对比，分析各监测点的水工隧洞衬砌混凝土裂缝宽度；根据土颗粒骨架和孔隙水二者之间的预应力参数，基于结构的损伤分析，建立水工隧洞衬砌混凝土裂缝分布结构模型；基于水工隧洞衬砌混凝土裂缝的开裂位置以及开裂宽度估计，采用预应力检测方法，进行水工隧洞衬砌混凝土裂缝的载荷检测；通过断裂参数和断裂能估计，在非弹性应变估计模式下，进行试件的材料结构性能参数估计，得到连接件与混凝土界面数据，由此进行混凝土抗裂的抗拉强度估计，在应力-应变关系模型中，采用实现混凝土温控防裂。总体结构模型见图1。

图1 水工隧洞衬砌混凝土温控防裂的总体结构模型

根据图1的总体结构模型，采用在弹性段极限压(拉)测试的方法，考虑材料非线性和钢板初始缺陷，基于拟静力试验研究，得到水工隧洞衬砌混凝土裂缝分布的曲线为：

(1)

式中：k为无黏性土环境下水工隧洞衬砌混凝土-钢板屈曲应力；i为滞回阻尼系数；i0为应力屈服的阈值。

由此得到抗剪性能曲线，见图2。

图2 水工隧洞衬砌混凝土温控防裂的抗剪性能分布关系曲线

根据图2，结合板屈曲分析以及构件极限状态下的应力状态分析，进行水工隧洞衬砌混凝土温控防裂参数模拟和优化设置[6]。

1.2 水工隧洞衬砌混凝土温控防裂参数模拟

在外荷载作用下，建立本构模型。水工隧洞衬砌混凝土面的高度和截面边长分别为2 300和540 mm，保护层厚度为25 mm。在试件A2承台上方500～1 000 mm 高度范围进行电化学测试，进行温度控制；采用能量耗散的 Park-Ang 双参数损伤模型，进行水工隧洞衬砌混凝土温控设计[7]。试件模型见图3。

图3 试件模型

考虑图3的时间结构模型，根据抗拉强度对水工隧洞衬砌混凝土的脆性破坏特性进行量化分析，建立隧洞墩柱损伤进程的双参数损伤模型，公式为：

(2)

其中：n为连接试件顶端的土地基的孔隙率；Vporosity为温控电流密度限值；Vparticle为钢筋预期质量损失。

根据上述数值分析公式，进行水平双向荷载和竖向荷载分析。

2 水工隧洞温控防裂参数优化计算

在上述建立的水工隧洞衬砌混凝土温控防裂参数模型的基础上，根据施工进度、温度应力、地质条件、混凝土性能多维参数分布，基于受压薄膜效应的荷载-挠度分析[8]，得到钢筋混凝土板压的动态应力特征分布矩阵为：

s(x)=[N(x),M(x)]T

(3)

式中：N(x)为地外力载荷在X和Y方向上的分量；M(x)为峰值荷载。

在竖直向上分量不断提高的情况下，得到水工隧洞衬砌混凝土的钢筋屈服强度为：

(4)

其中：ΔVt为弹性比例应变限值；Vt1为栓钉截面积；Vu1为极限剪力。

建立水工隧洞衬砌混凝土的下降段形状控制曲线，见图4。

图4 水工隧洞衬砌混凝土的下降段形状控制曲线

根据图4水工隧洞衬砌混凝土的控制曲线分布，考虑混凝土的受拉作用，在混凝土强度偏高的情况下，进行水工隧洞衬砌混凝土的裂缝谷值承载分析，得到谷值承载位移为：

di=dei+dpti

(5)

其中：dei为水工隧洞衬砌混凝土的局部峰值荷载；dpti为弹性段的载荷性能参数。

水工隧洞温控防裂稳定性检测的过程分量为：

(6)

其中：dei为屈服响应与控制力矩的联合参数。

水平剪力强度为：

(7)

综上分析，根据施工进度、温度应力、地质条件、混凝土性能多维参数分析，实现水工隧洞衬砌混凝土的裂缝宽度和间距联合估计，实现混凝土温控防裂设计。

3 实验测试

3.1 实验概况

实验测试中，X方向位移幅值采用5、10和15 mm，水工隧洞衬砌混凝土裂缝分布的直径为110 mm，采用HRB335级钢筋作为试件保护层，锚孔实验加载方式见图5。

图5 实验加载方式

根据图5的实验加载方式，在DSW-1 试件内部提取水工隧洞的特征值屈曲响应，在钢板荷载增加至500 kN时进行防裂有限元结构模型。有限元分布模型见图6。

图6 有限元结构模型

3.2 实验数据分析

在上述实验试件和对象分析基础上，采用ABAQUS/Explicit进行数据分析，得到水工隧洞衬砌混凝土的裂缝结构参数估计值，见表1。

表1 水工隧洞衬砌混凝土的裂缝结构参数估计值

根据上述参数解析结果，进行水工隧洞衬砌混凝土裂缝估计，得到测试结果,见图7。

图7 水工隧洞衬砌混凝土裂缝估计结果(单位：m)

分析上述测试结果可知，本文方法能准确确定初裂间距，水工隧洞衬砌裂缝宽度计算结果准确，计算负载较低，提高了抗裂性能。

4 结 语

结合温度控制和压力控制的方法，进行水工隧洞衬砌混凝土温控防裂设计，可提高水工隧洞衬砌混凝土的可靠性和稳定性。本文设计了一种改进的水工隧洞衬砌混凝土温控防裂技术，通过断裂参数和断裂能估计，在非弹性应变估计模式下，进行试件的材料结构性能参数估计。结果表明，采用本文方法进行水工隧洞衬砌混凝土裂缝估计的精度较高，提高了抗裂性能。