考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑外水压力的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法。它包括如下步骤：浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构及围岩层；安装反力墙主体内的外水压力加载机构；安装反力墙主体内的衬砌结构及围岩层；安装和密封上盖板；外水压力加载，打开加压水泵注水至反力墙四周内壁与衬砌结构外壁之间形成的外加压腔内；将引出的监测仪器数据线连接到数据采集仪器进行数据采集，再连接至电脑中，通过数据采集软件对采集到的应力应变、水压等数据进行采集和后期处理。该方法能够模拟实际环境中隧洞围岩及输水隧洞衬砌结构在复杂载荷下的受力特点和相关变形特性，并能够对衬砌结构破坏形态以及开裂后的裂缝分布进行分析研究。究。究。

【技术实现步骤摘要】
考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法


[0001]本专利技术涉及长距离输水隧洞试验结构模型
，具体地指一种考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法。

技术介绍

[0002]随着城市化的进程不断加快，远距离送水工程也越来越多。长距离输水隧洞大多要穿越西部地质构造背景复杂的山岭地区，隧洞埋深大、地应力高，且地质条件复杂，隧洞运行过程中围岩
‑
衬砌结构将承受较大的外水压力，其稳定与否直接关系到整个输水工程能否实施。寻找行之有效的试验方法和相应的试验装置并对其结构形式和力学性能进行监测和试验就十分重要。目前针对输水隧洞的力学监测试验多采用数值模拟的方法进行，很难模拟实际环境中隧洞围岩及输水隧洞衬砌结构的受力情况。
[0003]虽然也有一些试验装置可以进行模拟试验，但存在一定的弊端：其一，试验装置的稳定性和密封性往往达不到设计要求，导致外水压力难以加载到所需的数值，不能很好的反映出围岩衬砌结构在实际复杂荷载下的受力特点和相关变形特征，故针对衬砌结构破坏形态以及开裂后的裂缝分布的研究不易进行；其二，现有试验装置中的围岩层多采用普通混凝土进行浇筑，不能反映真实围岩结构的裂缝分布，且即使加载到所需的外水压力也不能模拟真实围岩结构的渗水特性，外水压力不能很好的传递给衬砌结构，造成试验误差。为此，需要研发一种能够模拟外水压作用下水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法，以实现围岩和衬砌协同承担高外水压的仿真，用于研究围岩
‑
衬砌结构在高外水压力作用下的力学性能、破坏特征及稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是能够真实模拟长距离输水隧洞围岩
‑
衬砌结构在外水压力作用下的力学性能、破坏特征及稳定性，提供一种考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术研制出了一种考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
[0006]步骤1)，浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构及围岩层，其中浇筑衬砌结构包括：根据设计尺寸进行衬砌结构钢筋笼的绑扎，用满足所需设计强度的混凝土进行衬砌结构的浇筑养护，并在衬砌结构内需要检测的位置预埋监测仪器；浇筑围岩层包括：根据设计模板，将围岩层分层浇筑成特定的形状并养护，同样地围岩层内需要检测的位置预埋监测仪器；
[0007]步骤2)，安装反力墙主体内的外水压力加载机构，包括：在反力墙主体上的注水阀门接头外接口安装水压力管，并将加压水泵、水压力表安装在水压力管另一端；
[0008]步骤3)，安装反力墙主体内的衬砌结构及围岩层，包括：将浇筑养护完成的衬砌结构垂直吊装进反力墙主体内腔；将浇筑养护完成的围岩层按照分层顺序紧贴衬砌结构外壁
用砂浆砌筑；
[0009]步骤4)，安装和密封上盖板，包括：在反力墙主体开口凸台处及衬砌结构顶部安装橡胶密封圈，在密封圈内盖上密封钢板，在密封钢板上盖上上盖板，衬砌结构与密封钢板和上盖板之间采用螺栓连接，反力墙主体与上盖板之间采用螺栓连接；另外预埋进衬砌结构内的监测仪器数据线依次通过衬砌结构空心、密封钢板上的第一仪器线缆出口和上盖板上的第三仪器线缆出口引出；预埋进围岩层内的监测仪器数据线依次通过密封钢板上的第二仪器线缆出口和上盖板上的第四仪器线缆出口引出；
[0010]步骤5)，外水压力加载：包括：对衬砌结构底部、衬砌结构内壁、仪器线缆出口、密封钢板四周进行密封后，根据实验方案，打开加压水泵注水至反力墙四周内壁与衬砌结构外壁之间形成的外加压腔内；
[0011]步骤6)，数据监测及处理，包括：将引出的监测仪器数据线连接到数据采集仪器进行数据采集，再连接至电脑中，通过数据采集软件对采集到的应力应变、水压等数据进行采集和后期处理，分析在不同外水压力荷载下围岩结构稳定性和衬砌结构中钢筋和混凝土的应力应变关系。
[0012]进一步地，所述考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真装置包括所述立体空壳结构的反力墙，所述第三仪器线缆出口设置在反力墙顶端中心处；所述空心筒状衬砌结构竖直布置在反力墙内腔中心处，且衬砌结构高度与反力墙内腔高度相同、端面齐平，衬砌结构空心内径与第三仪器线缆出口直径相同，从而使反力墙四周内壁与衬砌结构外壁之间形成外加压腔，在外加压腔内所述衬砌结构外壁设有立体围岩层；所述反力墙上还设有外水压力加载机构，所述外水压力加载机构用于通过外加压腔向围岩层和衬砌结构施加四周向中心的外水压力；所述试验装置还包括分别预埋在所述围岩层和衬砌结构内的监测系统，所述监测系统用于对围岩层内的外水压力和衬砌结构内的应力、应变进行数据采集并分析。
[0013]更进一步地，步骤1)中，所述围岩层从内向外依次布置一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构，所述一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构均包括从下端至上端依次设置的第一垫层、第一受力层、第二受力层、第三受力层、第二垫层；所述第一垫层和第一受力层之间、第三受力层和第二垫层之间均设有水平润滑层，第一受力层和第二受力层之间、第二受力层和第三受力层之间均设有水平砂浆层。
[0014]更进一步地，步骤1)中，所述衬砌结构包括空心筒状结构和其上下两端设有的法兰盘，所述空心筒状结构空心内径与法兰盘内径相同，所述空心筒状结构外侧从下端至上端均设有灌浆圈，且灌浆圈外径与所述法兰盘外径相同；两个所述圆形法兰盘外围分别对应于所述一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构中的第一垫层和第二垫层，所述空心筒状结构外围对应于所述一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构中的第一受力层、第二受力层和第三受力层。
[0015]更进一步地，步骤2)中，所述反力墙采用钢板焊接而成，其包括上端开口且开口内壁设有凸台的立体空壳结构的反力墙主体，所述反力墙主体包括其外周壁设有呈纵横交叉结构的第一加强肋，所述注水阀门接头设置在反力墙主体开口端一边，所述注水阀门接头相对边的对应位置处设有排水阀门接头。
[0016]更进一步地，步骤3)中，所述衬砌结构底部吊装进反力墙主体的内腔处焊接有用
于定位衬砌结构的定位钢环，所述定位钢环内径与法兰盘外径相同。
[0017]更进一步地，步骤4)中，所述反力墙主体开口端的四周外侧边缘处分别设有用于与所述上盖板连接的第一螺栓孔；所述密封钢板上还设有位于第一仪器线缆出口四周的第二螺栓孔；所述上盖板包括外表面设有的呈纵横交叉结构的第二加强肋，上盖板上还设有位于第三仪器线缆出口四周的、与第二螺栓孔对应的第三螺栓孔，所述上盖板四周边沿处还设有与所述第一螺栓孔对应的第四螺栓孔；所述衬砌结构上端的法兰盘四周设有与第二螺栓孔对应的第五螺栓孔，且上端的法兰盘与密封钢板间采用橡胶密封圈进行密封。
[0018]更进一步地，步骤5)中，所述衬砌结构底部的密封，采用在衬砌结构底部浇灌40～60mm厚的环氧树脂进行密封；所述衬砌结构内壁的密封，采用在衬砌结构内先放一直径略小于衬砌结构内径的PVC管，然后在衬砌结构2内壁及PVC管之间填满环氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)，浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构(2)及围岩层(4)，其中浇筑衬砌结构(2)包括：根据设计尺寸进行衬砌结构(2)钢筋笼的绑扎，用满足所需设计强度的混凝土进行衬砌结构(2)的浇筑养护，并在衬砌结构(2)内需要检测的位置预埋监测仪器(51)；浇筑围岩层(4)包括：根据设计模板，将围岩层(4)分层浇筑成特定的形状并养护，同样地围岩层(4)内需要检测的位置预埋监测仪器(51)；步骤2)，安装反力墙主体(1)内的外水压力加载机构(3)，包括：在反力墙主体(11)上的注水阀门接头(114)外接口安装水压力管(33)，并将加压水泵(31)、水压力表(32)安装在水压力管(33)另一端；步骤3)，安装反力墙主体(11)内的衬砌结构(2)及围岩层(4)，包括：将浇筑养护完成的衬砌结构(2)垂直吊装进反力墙主体(11)内腔；将浇筑养护完成的围岩层(4)按照分层顺序紧贴衬砌结构(2)外壁用砂浆砌筑；步骤4)，安装和密封上盖板(12)，包括：在反力墙主体(11)开口凸台处及衬砌结构(2)顶部安装橡胶密封圈，在密封圈内盖上密封钢板(13)，在密封钢板(13)上盖上上盖板(12)，衬砌结构(2)与密封钢板(13)和上盖板(12)之间采用螺栓连接，反力墙主体(11)与上盖板(12)之间采用螺栓连接；另外预埋进衬砌结构(2)内的监测仪器(51)数据线依次通过衬砌结构(2)空心、密封钢板(13)上的第一仪器线缆出口(131)和上盖板(12)上的第三仪器线缆出口(121)引出；预埋进围岩层(4)内的监测仪器(51)数据线依次通过密封钢板(13)上的第二仪器线缆出口(133)和上盖板(12)上的第四仪器线缆出口(123)引出；步骤5)，外水压力加载：包括：对衬砌结构(2)底部、衬砌结构(2)内壁、第一仪器线缆出口(131)、第三仪器线缆出口(121)、第二仪器线缆出口(133)、第四仪器线缆出口(123)、密封钢板(13)四周进行密封后，根据实验方案，打开加压水泵(31)注水至反力墙(1)四周内壁与衬砌结构(2)外壁之间形成的外加压腔内；步骤6)，数据监测及处理，包括：将引出的监测仪器(51)数据线连接到数据采集仪器(52)进行数据采集，再连接至电脑中，通过数据采集软件对采集到的应力应变、水压等数据进行采集和后期处理，分析在不同外水压力荷载下围岩结构(4)稳定性和衬砌结构(2)中钢筋和混凝土的应力应变关系。2.根据权利要求1所述的考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法，其特征在于：所述考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真装置包括所述立体空壳结构的反力墙(1)，所述第三仪器线缆出口(121)设置在反力墙(1)顶端中心处；所述空心筒状衬砌结构(2)竖直布置在反力墙(1)内腔中心处，且衬砌结构(2)高度与反力墙(1)内腔高度相同、端面齐平，衬砌结构(2)空心内径与第三仪器线缆出口(121)直径相同，从而使反力墙(1)四周内壁与衬砌结构(2)外壁之间形成外加压腔，在外加压腔内所述衬砌结构(2)外壁设有立体围岩层(4)；所述反力墙(1)上还设有外水压力加载机构(3)，所述外水压力加载机构(3)用于通过外加压腔向围岩层(4)和衬砌结构(2)施加四周向中心的外水压力；所述仿真装置还包括分别预埋在所述围岩层(4)和衬砌结构(2)内的监测系统(5)，所述监测系统(5)用于对围岩层(4)内的外水压力和衬砌结构(2)内的应力、应变进行数据采集并分析。3.根据权利要求2所述的考虑外水压的水工隧洞围岩和衬砌结构仿真试验方法，其特
征在于：步骤1)中，所述围岩层(4)从内向外依次布置一次性透水混凝土结构(41)和循环透水混凝土结构(42)，所述一次性透水混凝土结构(41)和循环透水混凝土结构(42)均包括从下端至上端依次设...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁秀丽，黄书岭，吴勇进，李杉，张雨霆，张练，何军，付敬，向志鹏，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：