模拟隧道内水压力的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种模拟隧道内水压力的试验装置及方法，装置包括荷载加载机构、监测系统、反力机构，荷载加载机构包括多个柔性容器、灌液泵，多个柔性容器经两两连通后构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，其中一柔性容器上的注液管与灌液泵的出液口相连接；监测系统包括埋设于衬砌内的应力计、钢筋计等，布设于衬砌内、外表面的光纤光栅传感器，埋设于围岩中的多点位移计、渗压计、测缝计，各传感器的信号输出端与数据采集单元相连接；反力机构包括固定连接的反力工字钢件和反力支撑件，各柔性容器的一侧与衬砌环段对应设置，反力支撑件支撑各柔性容器的另一侧。本发明专利技术可模拟检测隧洞充水运营期间混凝土衬砌的施工质量及预应力施加效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模拟隧道内水压力的试验装置及方法，属于水利水电工程

技术介绍
随着国家输水工程的大力建设，对于围岩条件较差、覆盖层较薄的有压输水隧洞一般采用环锚预应力混凝土衬砌技术，环锚预应力混凝土衬砌又可分为有粘结环锚预应力混凝土衬砌和无粘结环锚预应力混凝土衬砌两种。在环锚预应力混凝土衬砌的设计、施工过程中，一般需要进行模型或现场施工试验，以监测施工期和运行期衬砌受力及裂缝发展情况，从而保证工程施工及运行安全。现有的模型试验或现场试验大都只进行了施工期的张拉试验，仅在部分工程(如小浪底排沙洞工程设计阶段)进行了有粘结和无粘结环锚预应力混凝土衬砌两个模型试验的压水试验，模拟运行期衬砌受内水压力的受力情况。现有的压水试验中，施加试验荷载的方式主要有以下两种：如图1所示，在衬砌1环段采用多个千斤顶2对称水平布置于支座3与垫块支墩4之间，通过油泵逐级升压使千斤顶活塞移动，将力由支墩均匀加荷于衬砌试件上。这种方法的优点是制作工艺较简便，缺点是由于隧洞洞径较大，多个垫块支墩易形成多个集中受力点，且支墩之间存在一定的间距，导致衬砌在环向上的反力作用不均匀，不能很好的模拟水压力均匀施加这一特性，此外，千斤顶加载过程中，多个千斤顶同步对支墩进行加载要求支座定位精确，稍有偏差便会导致加载不均匀，严重时衬砌会出现局部加载过大出现裂缝，导致试验失败。如图2所示，在施工现场直接注水进行试验，即用堵水材料6封堵模型洞口两端，保留注水孔和出气孔，通过高压水泵将水5注入隧洞8，通过压力表监测水压。这种方法的优点是完全模拟运行期水压下衬砌7的受力情况，对衬砌不会产生不均匀水压力，缺点是对洞口封堵要求非常高，高压情况下易出现渗水而难以持续加压，无法继续试验，且，若进行现场原位注水试验，则水的运输和持续供给及相应配套设施都将大幅增加试验难度，甚至由于隧洞的封闭性，两个堵水端将处于隔离状态，应对衬砌出现裂缝时漏水的处理也将出现问题，试验后排水对周围施工环境也会造成破坏。
技术实现思路
鉴于上述原因，本专利技术的目的在于提供一种模拟隧道内水压力的试验装置及方法，通过荷载加载机构与反力机构的配合对衬砌进行均匀的水压力加载过程，监测系统实时监测水压力加载过程中衬砌的变形过程与受力情况，可模拟检测隧洞充水运营期间衬砌的施工质量及预应力施加效果，为预应力混凝土衬砌的设计和施工提供可靠的依据。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种模拟隧道内水压力的试验装置，用于对衬砌进行水压力试验，包括荷载加载机构、监测系统、反力机构，荷载加载机构包括多个柔性容器、灌液泵，多个柔性容器经两两连通后构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，其中一柔性容器上设有注液管，该注液管与该灌液泵的出液口相连接；监测系统包括埋设于衬砌内的应力计、钢筋计、无应力计、磁通量传感器、锚索测力计，布设于衬砌内、外表面的光纤光栅传感器，埋设于围岩中的多点位移计和渗压计，安装于围岩与衬砌之间的测缝计，各传感器的信号输出端与数据采集单元的主控芯片相连接；反力机构包括固定连接的反力工字钢件和环状的反力支撑件，该封闭结构体的各柔性容器的一侧与衬砌环段对应设置，该反力支撑件支撑各柔性容器的另一侧。进一步的，所述封闭结构体的其中一个柔性容器上设有排气管。所述封闭结构体的各柔性容器具有与所述衬砌环段相适应的圆弧段。所述柔性容器是由薄钢板焊接而成的扁平形中空囊体，钢板材料自身不提供环向约束。所述反力支撑件由素混凝土制成，其浇筑过程中与所述反力工字钢件对应的位置设置磁通量传感器。所述数据采集单元包括显示屏、报警器，所述主控芯片采集各传感器对应的变形信号，各变形信号经处理后通过显示屏显示，当变形信号的变形量到达一设定的变形阈值时，所述主控芯片控制报警器报警。基于上述模拟隧道内水压力的试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：S1：安装监测系统，包括：浇筑混凝土衬砌前，于围岩上钻孔安装多点位移计、渗压计、测缝计；浇筑混凝土衬砌时，于衬砌内埋设应力计、钢筋计、无应力计、磁通量传感器、锚索测力计；浇筑混凝土衬砌后，沿衬砌环向内、外表面分别埋设光纤光栅传感器；将各传感器经信号线接入所述数据采集单元；S2：组装荷载加载机构，包括：将两两柔性容器通过连接管组装连接，构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，将各柔性容器的一侧设于衬砌环段的内环面，衬砌环段底部对应的柔性容器上的注液管与灌液泵的出液口相连接；S3：安装反力机构，包括：在各柔性容器的另一侧安装反力支撑件和反力工字钢件；S4：调试及试验，包括：通过灌液泵向各柔性容器内灌液、加压。所述应力计和钢筋计的安装方法是：将所述钢筋计焊接在非应力钢筋上，将所述应变计埋设于所述混凝土衬砌内部非应力钢筋附近。所述步骤S1中，所述光纤光栅传感器的安装方法是：在所述衬砌径向厚度范围内，按角度均匀布置若干组光纤光栅传感器，所述衬砌的外表面和径向方向预埋安装所述光纤光栅传感器，所述衬砌的内表面通过表面刻槽安装所述光纤光栅传感器。所述步骤S1中，所述磁通量传感器安装于所述衬砌中对应锚索的位置，所述锚索测力计通过游动锚头与衬砌上的锚具槽相连接。本专利技术的优点是：本专利技术的模拟隧道内水压力的试验装置及方法，通过荷载加载机构与反力机构配合对衬砌进行均匀的水压力加载过程，最大限制的模拟内水压力工况，与此同时，监测系统实时监测水压力加载过程中衬砌的受力情况与变形过程，可模拟检测隧洞充水运营期间混凝土衬砌的施工质量及预应力施加效果，为预应力混凝土衬砌的设计和施工提供可靠的依据，保证工程施工及运行安全；且，试验装置简单，操作灵活，可控性强，具有良好的经济和技术效益。附图说明图1是现有技术中利用液压千斤顶施加试验荷载的压水试验装置结构示意图。图2是现有技术中在施工现场直接注水进行压水试验的试验原理结构示意图。图3是本专利技术的模拟隧洞内水压力的试验装置结构示意图。图4是本专利技术的荷载加载机构的结构示意图。图5是本专利技术的反力机构的结构示意图。图6是本专利技术的监测系统的分布结构示意图。图7是本专利技术的柔性容器的立体结构示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细的说明。如图3-7所示，本专利技术的模拟隧道内水压力的试验装置，包括荷载加载机构、监测系统、反力机构；荷载加载机构包括多个柔性容器10、连接管11、灌液泵15，柔性容器10两端设有连接头，两两柔性容器之间通过连接管11相连通，多个柔性容器两两通过连接管连接后，以各柔性容器10的外侧16设于衬砌9环段，靠近衬砌环段下端的柔性容器上设有注液管12，靠近衬砌环段上端的柔性容器上设有排气管13，灌浆泵的出液口与注液管12相连接，将液体经高压管路14、注液管12、连接管11灌入各个柔性容器10，可利用液体(水或水泥浆)压力产生的径向位移对衬砌层施加压力。由于一般供水隧洞的洞径较大，构成荷载加载机构的各柔性容器具有与衬砌环段相适应的圆弧段，各柔性容器经连接管组装成的独立封闭的荷载加载机构，可与衬砌环段紧密贴合，灌液过程中，在反力机构的配合下，向衬砌施加均匀的压力。柔性容器的圆弧段的尺寸可根据隧洞大小进行设计。反力机构包括反力工字钢件21和由素混凝土制成的反力支撑件20，反力支撑件20设于荷载加载机构的内侧，具体的说，环状的反力支撑件20设于组装好的各柔性容器10本文档来自技高网...

【技术保护点】
模拟隧道内水压力的试验装置，用于对衬砌进行水压力试验，其特征在于，包括荷载加载机构、监测系统、反力机构，荷载加载机构包括多个柔性容器、灌液泵，多个柔性容器经两两连通后构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，其中一柔性容器上设有注液管，该注液管与该灌液泵的出液口相连接；监测系统包括埋设于衬砌内的应力计、钢筋计、无应力计、磁通量传感器、锚索测力计，布设于衬砌内、外表面的光纤光栅传感器，埋设于围岩中的多点位移计和渗压计，安装于围岩与衬砌之间的测缝计，各传感器的信号输出端与数据采集单元的主控芯片相连接；反力机构包括固定连接的反力工字钢件和环状的反力支撑件，该封闭结构体的各柔性容器的一侧与衬砌环段对应设置，该反力支撑件支撑各柔性容器的另一侧。

【技术特征摘要】
1.模拟隧道内水压力的试验装置，用于对衬砌进行水压力试验，其特征在于，包括荷载加载机构、监测系统、反力机构，荷载加载机构包括多个柔性容器、灌液泵，多个柔性容器经两两连通后构成与衬砌环段相适应的封闭结构体，其中一柔性容器上设有注液管，该注液管与该灌液泵的出液口相连接；监测系统包括埋设于衬砌内的应力计、钢筋计、无应力计、磁通量传感器、锚索测力计，布设于衬砌内、外表面的光纤光栅传感器，埋设于围岩中的多点位移计和渗压计，安装于围岩与衬砌之间的测缝计，各传感器的信号输出端与数据采集单元的主控芯片相连接；反力机构包括固定连接的反力工字钢件和环状的反力支撑件，该封闭结构体的各柔性容器的一侧与衬砌环段对应设置，该反力支撑件支撑各柔性容器的另一侧。2.根据权利要求1所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述封闭结构体的其中一个柔性容器上设有排气管。3.根据权利要求1所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述封闭结构体的各柔性容器具有与所述衬砌环段相适应的圆弧段。4.根据权利要求1所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述柔性容器是由薄钢板焊接而成的扁平形中空囊体，钢板材料自身不提供环向约束。5.根据权利要求1所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述反力支撑件由素混凝土制成，其浇筑过程中与所述反力工字钢件对应的位置设置磁通量传感器。6.根据权利要求5所述的模拟隧道内水压力的试验装置，其特征在于，所述数据采集单元包括显示屏、报警器，所述主控芯片采集各传感器对应的变形信号，各变形信号经处理后通过显示屏显示，当变形信号的变形量到达...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小刚，姜龙，赵宇飞，曹瑞琅，王玉杰，贾志欣，皮进，刘立鹏，林兴超，段庆伟，郑理峰，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11