水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂技術研究

李 鈺

(河南省水利第二工程局， 鄭州 450046)

0 引 言

隨著水利水電工程建設的不斷推進和發展，水工隧洞建設工程量不斷加大。在水工隧洞建設施工中，由于受到水壓的不確定和非恒穩性因素的影響，導致水工隧洞的抗拉和抗壓性能不好，水工隧洞襯砌混凝土容易產生裂縫。應建立水工隧洞襯砌混凝土裂縫的控制模型，結合溫度控制和壓力控制的方法，進行水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂設計，提高水工隧洞襯砌混凝土的可靠性和穩定性，從而提高水工隧洞的施工質量水平。因此，研究水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂技術，在工程施工中具有重要意義[1]。

在水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂施工中，由于襯砌初次開裂的特點是裂縫間距較大，裂縫寬度正比于裂縫間距，之前對裂縫的計算多采用經驗計算法的方法，在柔度、抗外壓能力、安全性和維護修補壽命周期測算中都具有較大的隨機性[2]。文獻[3]中設計預應力鋁合金筋嵌入式補強鋼筋混凝土梁裂縫分析與計算方法，通過預應力以及預應力水平測量，對嵌入式補強混凝土梁試件破壞模式，通過預應力計算裂縫寬度，提高預應力水平，降低裂縫擴展，但該方法受到最大裂縫寬度的影響。文獻[4]中提出確定壓力隧洞混凝土襯砌初裂間距的鋼筋混凝土曲梁法，考慮配筋量、襯砌曲率、內水壓力、圍巖的法向因素影響，結合鋼筋混凝土曲梁分析，進行水工隧洞襯砌混凝土防裂設計，該方法在幾個工程的現場試驗中取得了明顯效果，但受到內水壓力不穩定性影響較大。對此，本文設計一種改進的水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂技術，首先基于水工隧洞襯砌混凝土裂縫的開裂位置以及開裂寬度估計，采用預應力檢測方法，建立水工隧洞襯砌混凝土溫控裂紋估計模型；然后進行施工進度、溫度應力、地質條件、混凝土性能多維參數分析，結合實驗分析，實現水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂性能測試。

1 水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布結構模型和參數模擬

1.1 水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布結構模型

基于水平荷載和位移參數分析，建立水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂的控制參數模型，通過試件的滯回應力特征分析，進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布結構模型設計。通過分析水工隧洞襯砌混凝土裂縫基坑的空間部分應力響應，采用數據監測和參數估計，分析在裂縫狀態下止水結構的施工質量、止水效果；根據土力學及滲流力學[5]，在水工隧洞襯砌混凝土裂縫尺寸的2～5倍大小作為計算范圍，根據裂縫的沉降監測對比，分析各監測點的水工隧洞襯砌混凝土裂縫寬度；根據土顆粒骨架和孔隙水二者之間的預應力參數，基于結構的損傷分析，建立水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布結構模型；基于水工隧洞襯砌混凝土裂縫的開裂位置以及開裂寬度估計，采用預應力檢測方法，進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫的載荷檢測；通過斷裂參數和斷裂能估計，在非彈性應變估計模式下，進行試件的材料結構性能參數估計，得到連接件與混凝土界面數據，由此進行混凝土抗裂的抗拉強度估計，在應力-應變關系模型中，采用實現混凝土溫控防裂。總體結構模型見圖1。

圖1 水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂的總體結構模型

根據圖1的總體結構模型，采用在彈性段極限壓(拉)測試的方法，考慮材料非線性和鋼板初始缺陷，基于擬靜力試驗研究，得到水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布的曲線為：

(1)

式中：k為無黏性土環境下水工隧洞襯砌混凝土-鋼板屈曲應力；i為滯回阻尼系數；i0為應力屈服的閾值。

由此得到抗剪性能曲線，見圖2。

圖2 水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂的抗剪性能分布關系曲線

根據圖2，結合板屈曲分析以及構件極限狀態下的應力狀態分析，進行水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂參數模擬和優化設置[6]。

1.2 水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂參數模擬

在外荷載作用下，建立本構模型。水工隧洞襯砌混凝土面的高度和截面邊長分別為2 300和540 mm，保護層厚度為25 mm。在試件A2承臺上方500～1 000 mm 高度范圍進行電化學測試，進行溫度控制；采用能量耗散的 Park-Ang 雙參數損傷模型，進行水工隧洞襯砌混凝土溫控設計[7]。試件模型見圖3。

圖3 試件模型

考慮圖3的時間結構模型，根據抗拉強度對水工隧洞襯砌混凝土的脆性破壞特性進行量化分析，建立隧洞墩柱損傷進程的雙參數損傷模型，公式為：

(2)

其中：n為連接試件頂端的土地基的孔隙率；Vporosity為溫控電流密度限值；Vparticle為鋼筋預期質量損失。

根據上述數值分析公式，進行水平雙向荷載和豎向荷載分析。

2 水工隧洞溫控防裂參數優化計算

在上述建立的水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂參數模型的基礎上，根據施工進度、溫度應力、地質條件、混凝土性能多維參數分布，基于受壓薄膜效應的荷載-撓度分析[8]，得到鋼筋混凝土板壓的動態應力特征分布矩陣為：

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

(3)

式中：N(x)為地外力載荷在X和Y方向上的分量；M(x)為峰值荷載。

在豎直向上分量不斷提高的情況下，得到水工隧洞襯砌混凝土的鋼筋屈服強度為：

(4)

其中：ΔVt為彈性比例應變限值；Vt1為栓釘截面積；Vu1為極限剪力。

建立水工隧洞襯砌混凝土的下降段形狀控制曲線，見圖4。

圖4 水工隧洞襯砌混凝土的下降段形狀控制曲線

根據圖4水工隧洞襯砌混凝土的控制曲線分布，考慮混凝土的受拉作用，在混凝土強度偏高的情況下，進行水工隧洞襯砌混凝土的裂縫谷值承載分析，得到谷值承載位移為：

di=dei+dpti

(5)

其中：dei為水工隧洞襯砌混凝土的局部峰值荷載；dpti為彈性段的載荷性能參數。

水工隧洞溫控防裂穩定性檢測的過程分量為：

(6)

其中：dei為屈服響應與控制力矩的聯合參數。

水平剪力強度為：

(7)

綜上分析，根據施工進度、溫度應力、地質條件、混凝土性能多維參數分析，實現水工隧洞襯砌混凝土的裂縫寬度和間距聯合估計，實現混凝土溫控防裂設計。

3 實驗測試

3.1 實驗概況

實驗測試中，X方向位移幅值采用5、10和15 mm，水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布的直徑為110 mm，采用HRB335級鋼筋作為試件保護層，錨孔實驗加載方式見圖5。

圖5 實驗加載方式

根據圖5的實驗加載方式，在DSW-1 試件內部提取水工隧洞的特征值屈曲響應，在鋼板荷載增加至500 kN時進行防裂有限元結構模型。有限元分布模型見圖6。

圖6 有限元結構模型

3.2 實驗數據分析

在上述實驗試件和對象分析基礎上，采用ABAQUS/Explicit進行數據分析，得到水工隧洞襯砌混凝土的裂縫結構參數估計值，見表1。

表1 水工隧洞襯砌混凝土的裂縫結構參數估計值

根據上述參數解析結果，進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫估計，得到測試結果,見圖7。

圖7 水工隧洞襯砌混凝土裂縫估計結果(單位：m)

分析上述測試結果可知，本文方法能準確確定初裂間距，水工隧洞襯砌裂縫寬度計算結果準確，計算負載較低，提高了抗裂性能。

4 結 語

結合溫度控制和壓力控制的方法，進行水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂設計，可提高水工隧洞襯砌混凝土的可靠性和穩定性。本文設計了一種改進的水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂技術，通過斷裂參數和斷裂能估計，在非彈性應變估計模式下，進行試件的材料結構性能參數估計。結果表明，采用本文方法進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫估計的精度較高，提高了抗裂性能。