輸水隧洞預應力混凝土襯砌錨具槽優化設計分析

薛 廣 文,曹 國 魯,蔡 俊 倫,李 曉 克

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司,廣東 廣州 511458; 2.華北水利水電大學 土木與交通學院,河南 鄭州 450045)

0 引 言

環形預應力技術已成功應用于輸水隧洞預應力混凝土襯砌結構[1-2],相關研究表明其錨具槽位置的布設[3]及成型方式對結構設計、施工以及后期運營維護都有明顯的影響。

目前,中國已有多個水工隧洞預應力混凝土襯砌采用組合模板方式成型錨具槽[4-5],預應力鋼筋張拉前對槽口內壁混凝土進行人工鑿毛處理[6-7]。錨具槽成槽形式以矩形口居多,比如中國首個采用預應力混凝土環形襯砌技術的清江隔河巖水電站引水隧洞[8]、采用環形有粘結預應力混凝土襯砌方案的南盤江天生橋一級水電站引水隧洞[9]、采用環錨無粘結預應力襯砌技術的黃河小浪底排沙洞[10-11],以及大伙房水庫輸水隧洞和南水北調中線穿黃隧洞[12-13]均采用矩形口,且它們在成型后均需拆除模板、槽壁鑿毛和殘渣清理。由于槽口內需布置環錨及錨固段鋼絞線,增加了混凝土回填施工難度,易造成回填混凝土不密實、與原混凝土界面粘結強度不足等缺陷,導致錨具槽部位出現滲油滲水等不利狀況,進而影響預應力混凝土結構的耐久性[14-15]。同時,拆除模板產生的廢棄聚苯乙烯泡沫板,槽壁鑿毛產生的混凝土垃圾,均會造成資源浪費和生態環境污染。

針對目前水工隧洞預應力混凝土襯砌結構錨具槽成型方式存在的不足,在珠江三角洲水資源配置工程中,工程人員在現有錨具槽成型方式的基礎上,以超高韌性細石混凝土為原材料,制作了預制裝配式免拆模板錨具槽。為研究襯砌結構采用該錨具槽后的受力狀態,本文對采用該錨具槽的預應力混凝土襯砌開展有限元模擬分析,并將其與采用常規錨具槽的預應力混凝土襯砌受力特征進行對比。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程穿越珠三角核心城市群,輸水線路總長度113.2 km,在平均埋深40～60 m的地下建造[16-17]。干線工程單線盾構隧洞長30.5 km,隧洞直徑6.4 m,無粘結預應力混凝土襯砌厚度為0.55 m,混凝土強度等級為C50,內槽口采用HM錨固體系[18]。設計最大內水壓力1.3 MPa。由于隧洞內水壓力高,目前國內外尚無可直接借鑒的工程實例。為確保工程建設質量及運營安全,在工程現場開展了預應力混凝土襯砌1∶1真型試驗,真型試驗場地布設如圖1所示。

圖1 預應力混凝土襯砌1∶1真型試驗場地布設

2 錨具槽區域應力分析

真型試驗由管片外襯和預應力內襯組成,鋼絞線采用雙層雙圈環形布置。管片外徑8.3 m,厚度0.4 m,共7環,總長度11.2 m;預應力內襯內徑為6.4 m,襯砌厚度均為0.55 m,混凝土等級為C50。真型試驗模型總長度為9.96 m,由3段預應力內襯和2條止水縫組成,預應力內襯節段1和節段3長度均為2.55 m,節段2長度為4.8 m,止水縫厚度為0.03 m。相鄰錨具槽中心間距為0.5 m,在內襯左、右兩側45°位置交替布置。錨具槽沿縱向分布如圖2所示,在節段2和節段3分別布設一個預制裝配式免拆模板錨具槽,其余均采用常規錨具槽。

圖2 錨具槽沿縱向布置

2.1 有限元模型

對真型試驗節段2部分建立三維有限元模型,整體建模在ORTZ柱坐標系下進行,規定隧洞縱向垂直向外為Z軸正方向,R和T分別為隧洞徑向和切線方向,坐標軸原點O位于縱向坐標為0的圓心處。混凝土結構采用SOLID65單元進行模擬,如圖3～4所示。鋼絞線采用LINK8單元進行模擬,如圖5所示。根據結構受力特性劃分單元網格,對關鍵部位和截面突變部位進行適當的加密處理。

圖3 1∶1真型試驗三維有限元模型

圖5 鋼絞線三維有限元模型

為明確錨具槽區域應力狀態,規定襯砌底部中垂線所在的位置為0°,沿襯砌結構內表面逆時針旋轉90°至襯砌腰部位置,在此范圍內分析錨具槽的應力分布規律。

2.2 常規錨具槽區域應力分析

鋼絞線張拉完成且微膨脹混凝土回填后,常規錨具槽環向應力分布如圖6～9所示。

圖6 張拉完成后常規錨具槽混凝土襯砌環向應力

由圖6和圖7可知,鋼絞線張拉完成階段后,混凝土襯砌絕大部分區域為受壓區,但在錨具槽槽口端部及行車道頂部存在局部受拉區,錨具槽尚未回填時對混凝土襯砌整體受力不利。由圖8和圖9可知,微膨脹混凝土回填后,錨具槽槽口端部拉應力集中現象消失,僅在行車道頂部存在局部受拉區。

圖7 張拉完成后常規錨具槽環向應力

圖8 常規錨具槽回填后混凝土襯砌環向應力

圖9 回填后常規錨具槽區域環向應力

2.3 免拆模板錨具槽區域應力分析

鋼絞線張拉完成且微膨脹混凝土回填后,免拆模板錨具槽環向應力分布如圖10～15所示。

圖10 免拆模板錨具槽張拉完成混凝土襯砌環向應力

由圖10和圖11可知,鋼絞線張拉完成后,采用免拆模板錨具槽的混凝土襯砌絕大部分區域為受壓區,僅在錨具槽槽口端部及行車道頂部存在局部受拉區,錨具槽尚未回填時對混凝土襯砌整體受力不利。

圖11 張拉完成免拆模板錨具槽區域環向應力

由圖12和圖13可知,微膨脹混凝土回填后,免拆模板錨具槽口端部拉應力集中現象消失,僅在行車道頂部存在局部受拉區。此時,最大環向壓應力位于免拆模板錨具槽的角部位置,表明采用免拆模板錨具槽可提高錨具槽角部的壓應力,有效避免混凝土襯砌沿著錨具槽角部開裂。

圖12 免拆模板錨具槽回填后混凝土襯砌環向應力

圖13 回填后免拆模板錨具槽區域環向應力

由圖14和圖15可知,免拆模板錨具槽局部有較大的拉應力,其位于鋼絞線穿越錨具槽的位置,原因是采用節點耦合方式建立有限元模型,導致張拉過程中鋼絞線與附近混凝土產生拉應力集中現象。免拆模板錨具槽兩端模板拉應力峰值約為1.2 MPa,其余均為壓應力。材料試驗表明:對于超高韌性細石混凝土,其28 d的抗拉強度為4.71 MPa,90 d的抗拉強度為5.68 MPa,故預制裝配式免拆模板錨具槽處在安全狀態。

圖14 張拉完成免拆模板錨具槽局部環向應力(單位:Pa)

圖15 回填后免拆模板錨具槽局部環向應力(單位:Pa)

2.4 錨具槽區域應力值對比

整理分析常規錨具槽和變寬度免拆模板錨具槽有限元模擬計算結果,如表1所列。

表1 混凝土襯砌錨具槽區域應力狀態

由表1可知,預制裝配式免拆模板錨具槽角部存在較大的環向壓應力,可避免錨具槽槽壁因拉應力集中而沿角部開裂。有限元分析結果表明:常規錨具槽底模板的內外表面應力存在較大應力差,有起拱的趨勢;預制裝配式免拆模板錨具槽呈內大外小倒置漏斗形狀,其免拆模板對微膨脹混凝土的約束明顯增加,進而限制了底模板的膨脹起拱,提高了回填混凝土與原混凝土襯砌的粘結性能。

2.5 試驗驗證

為驗證數值模擬得到的預制裝配式免拆模板錨具槽區域應力狀態,在錨具槽兩側及端部的混凝土襯砌內布設15個應變計,監測錨具槽周邊混凝土應力變化規律,應變計布置位置及編號如圖16所示。

在預應力張拉及微膨脹混凝土回填階段,對錨具槽周邊區域混凝土應力實時監測,混凝土實測應力值和有限元計算應力值如表2所列。

表2 預應力混凝土襯砌實測應力值與計算應力值

由表2可知,1號、5～8號、14號應變計測試部位混凝土出現拉應力,且1號、6號、8號、14號處的拉應力足以使混凝土襯砌產生裂縫,但是在試驗模型中并未發現這些位置出現裂縫,且在充水加壓試驗后,用裂縫探測儀檢測,這些位置處仍然未發現裂縫,表明該位置應變計實測值有誤,為此將在后期分析其測量值偏差較大的原因。其余位置應變計實測應力與有限元計算應力吻合較好,驗證了數值模擬分析的準確性和有效性。

3 結 論

(1) 預制裝配式免拆模板錨具槽呈內大外小倒置漏斗形狀,可有效增強免拆模板對微膨脹混凝土的約束,限制底模板起拱趨勢,提高回填混凝土與原混凝土襯砌的粘結性能。

(2) 有限元模擬結果表明,裝配式免拆模板錨具槽不僅可提高混凝土襯砌的環向預壓應力效果,也可增加錨具槽角部的環向壓應力,避免混凝土襯砌沿錨具槽角部開裂。

(3) 裝配式免拆模板錨具槽在提高施工工效,降低工程成本,避免施工過程中產生廢棄混凝土和廢棄聚苯乙烯泡沫板垃圾,較常規錨具槽具有明顯的優勢,可推廣應用于類似工程。