本發(fā)明涉及一種模擬隧道內(nèi)水壓力的試驗裝置及方法，屬于水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著國家輸水工程的大力建設(shè)，對于圍巖條件較差、覆蓋層較薄的有壓輸水隧洞一般采用環(huán)錨預應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)，環(huán)錨預應(yīng)力混凝土襯砌又可分為有粘結(jié)環(huán)錨預應(yīng)力混凝土襯砌和無粘結(jié)環(huán)錨預應(yīng)力混凝土襯砌兩種。

在環(huán)錨預應(yīng)力混凝土襯砌的設(shè)計、施工過程中，一般需要進行模型或現(xiàn)場施工試驗，以監(jiān)測施工期和運行期襯砌受力及裂縫發(fā)展情況，從而保證工程施工及運行安全?，F(xiàn)有的模型試驗或現(xiàn)場試驗大都只進行了施工期的張拉試驗，僅在部分工程(如小浪底排沙洞工程設(shè)計階段)進行了有粘結(jié)和無粘結(jié)環(huán)錨預應(yīng)力混凝土襯砌兩個模型試驗的壓水試驗，模擬運行期襯砌受內(nèi)水壓力的受力情況。

現(xiàn)有的壓水試驗中，施加試驗荷載的方式主要有以下兩種：

如圖1所示，在襯砌1環(huán)段采用多個千斤頂2對稱水平布置于支座3與墊塊支墩4之間，通過油泵逐級升壓使千斤頂活塞移動，將力由支墩均勻加荷于襯砌試件上。這種方法的優(yōu)點是制作工藝較簡便，缺點是由于隧洞洞徑較大，多個墊塊支墩易形成多個集中受力點，且支墩之間存在一定的間距，導致襯砌在環(huán)向上的反力作用不均勻，不能很好的模擬水壓力均勻施加這一特性，此外，千斤頂加載過程中，多個千斤頂同步對支墩進行加載要求支座定位精確，稍有偏差便會導致加載不均勻，嚴重時襯砌會出現(xiàn)局部加載過大出現(xiàn)裂縫，導致試驗失敗。

如圖2所示，在施工現(xiàn)場直接注水進行試驗，即用堵水材料6封堵模型洞口兩端，保留注水孔和出氣孔，通過高壓水泵將水5注入隧洞8，通過壓力表監(jiān)測水壓。這種方法的優(yōu)點是完全模擬運行期水壓下襯砌7的受力情況，對襯砌不會產(chǎn)生不均勻水壓力，缺點是對洞口封堵要求非常高，高壓情況下易出現(xiàn)滲水而難以持續(xù)加壓，無法繼續(xù)試驗，且，若進行現(xiàn)場原位注水試驗，則水的運輸和持續(xù)供給及相應(yīng)配套設(shè)施都將大幅增加試驗難度，甚至由于隧洞的封閉性，兩個堵水端將處于隔離狀態(tài)，應(yīng)對襯砌出現(xiàn)裂縫時漏水的處理也將出現(xiàn)問題，試驗后排水對周圍施工環(huán)境也會造成破壞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述原因，本發(fā)明的目的在于提供一種模擬隧道內(nèi)水壓力的試驗裝置及方法，通過荷載加載機構(gòu)與反力機構(gòu)的配合對襯砌進行均勻的水壓力加載過程，監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測水壓力加載過程中襯砌的變形過程與受力情況，可模擬檢測隧洞充水運營期間襯砌的施工質(zhì)量及預應(yīng)力施加效果，為預應(yīng)力混凝土襯砌的設(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種模擬隧道內(nèi)水壓力的試驗裝置，用于對襯砌進行水壓力試驗，包括荷載加載機構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)、反力機構(gòu)，

荷載加載機構(gòu)包括多個柔性容器、灌液泵，多個柔性容器經(jīng)兩兩連通后構(gòu)成與襯砌環(huán)段相適應(yīng)的封閉結(jié)構(gòu)體，其中一柔性容器上設(shè)有注液管，該注液管與該灌液泵的出液口相連接；

監(jiān)測系統(tǒng)包括埋設(shè)于襯砌內(nèi)的應(yīng)力計、鋼筋計、無應(yīng)力計、磁通量傳感器、錨索測力計，布設(shè)于襯砌內(nèi)、外表面的光纖光柵傳感器，埋設(shè)于圍巖中的多點位移計和滲壓計，安裝于圍巖與襯砌之間的測縫計，各傳感器的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集單元的主控芯片相連接；

反力機構(gòu)包括固定連接的反力工字鋼件和環(huán)狀的反力支撐件，

該封閉結(jié)構(gòu)體的各柔性容器的一側(cè)與襯砌環(huán)段對應(yīng)設(shè)置，該反力支撐件支撐各柔性容器的另一側(cè)。

進一步的，

所述封閉結(jié)構(gòu)體的其中一個柔性容器上設(shè)有排氣管。

所述封閉結(jié)構(gòu)體的各柔性容器具有與所述襯砌環(huán)段相適應(yīng)的圓弧段。

所述柔性容器是由薄鋼板焊接而成的扁平形中空囊體，鋼板材料自身不提供環(huán)向約束。

所述反力支撐件由素混凝土制成，其澆筑過程中與所述反力工字鋼件對應(yīng)的位置設(shè)置磁通量傳感器。

所述數(shù)據(jù)采集單元包括顯示屏、報警器，所述主控芯片采集各傳感器對應(yīng)的變形信號，各變形信號經(jīng)處理后通過顯示屏顯示，當變形信號的變形量到達一設(shè)定的變形閾值時，所述主控芯片控制報警器報警。

基于上述模擬隧道內(nèi)水壓力的試驗裝置進行試驗的方法，包括以下步驟：

S1：安裝監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

澆筑混凝土襯砌前，于圍巖上鉆孔安裝多點位移計、滲壓計、測縫計；

澆筑混凝土襯砌時，于襯砌內(nèi)埋設(shè)應(yīng)力計、鋼筋計、無應(yīng)力計、磁通量傳感器、錨索測力計；

澆筑混凝土襯砌后，沿襯砌環(huán)向內(nèi)、外表面分別埋設(shè)光纖光柵傳感器；

將各傳感器經(jīng)信號線接入所述數(shù)據(jù)采集單元；

S2：組裝荷載加載機構(gòu)，包括：

將兩兩柔性容器通過連接管組裝連接，構(gòu)成與襯砌環(huán)段相適應(yīng)的封閉結(jié)構(gòu)體，將各柔性容器的一側(cè)設(shè)于襯砌環(huán)段的內(nèi)環(huán)面，襯砌環(huán)段底部對應(yīng)的柔性容器上的注液管與灌液泵的出液口相連接；

S3：安裝反力機構(gòu)，包括：

在各柔性容器的另一側(cè)安裝反力支撐件和反力工字鋼件；

S4：調(diào)試及試驗，包括：

通過灌液泵向各柔性容器內(nèi)灌液、加壓。

所述應(yīng)力計和鋼筋計的安裝方法是：將所述鋼筋計焊接在非應(yīng)力鋼筋上，將所述應(yīng)變計埋設(shè)于所述混凝土襯砌內(nèi)部非應(yīng)力鋼筋附近。

所述步驟S1中，所述光纖光柵傳感器的安裝方法是：在所述襯砌徑向厚度范圍內(nèi)，按角度均勻布置若干組光纖光柵傳感器，所述襯砌的外表面和徑向方向預埋安裝所述光纖光柵傳感器，所述襯砌的內(nèi)表面通過表面刻槽安裝所述光纖光柵傳感器。

所述步驟S1中，所述磁通量傳感器安裝于所述襯砌中對應(yīng)錨索的位置，所述錨索測力計通過游動錨頭與襯砌上的錨具槽相連接。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

本發(fā)明的模擬隧道內(nèi)水壓力的試驗裝置及方法，通過荷載加載機構(gòu)與反力機構(gòu)配合對襯砌進行均勻的水壓力加載過程，最大限制的模擬內(nèi)水壓力工況，與此同時，監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測水壓力加載過程中襯砌的受力情況與變形過程，可模擬檢測隧洞充水運營期間混凝土襯砌的施工質(zhì)量及預應(yīng)力施加效果，為預應(yīng)力混凝土襯砌的設(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)，保證工程施工及運行安全；且，試驗裝置簡單，操作靈活，可控性強，具有良好的經(jīng)濟和技術(shù)效益。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中利用液壓千斤頂施加試驗荷載的壓水試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中在施工現(xiàn)場直接注水進行壓水試驗的試驗原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的模擬隧洞內(nèi)水壓力的試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的荷載加載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明的反力機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)的分布結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明的柔性容器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖3-7所示，本發(fā)明的模擬隧道內(nèi)水壓力的試驗裝置，包括荷載加載機構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)、反力機構(gòu)；

荷載加載機構(gòu)包括多個柔性容器10、連接管11、灌液泵15，柔性容器10兩端設(shè)有連接頭，兩兩柔性容器之間通過連接管11相連通，多個柔性容器兩兩通過連接管連接后，以各柔性容器10的外側(cè)16設(shè)于襯砌9環(huán)段，靠近襯砌環(huán)段下端的柔性容器上設(shè)有注液管12，靠近襯砌環(huán)段上端的柔性容器上設(shè)有排氣管13，灌漿泵的出液口與注液管12相連接，將液體經(jīng)高壓管路14、注液管12、連接管11灌入各個柔性容器10，可利用液體(水或水泥漿)壓力產(chǎn)生的徑向位移對襯砌層施加壓力。

由于一般供水隧洞的洞徑較大，構(gòu)成荷載加載機構(gòu)的各柔性容器具有與襯砌環(huán)段相適應(yīng)的圓弧段，各柔性容器經(jīng)連接管組裝成的獨立封閉的荷載加載機構(gòu)，可與襯砌環(huán)段緊密貼合，灌液過程中，在反力機構(gòu)的配合下，向襯砌施加均勻的壓力。柔性容器的圓弧段的尺寸可根據(jù)隧洞大小進行設(shè)計。

反力機構(gòu)包括反力工字鋼件21和由素混凝土制成的反力支撐件20，反力支撐件20設(shè)于荷載加載機構(gòu)的內(nèi)側(cè)，具體的說，環(huán)狀的反力支撐件20設(shè)于組裝好的各柔性容器10的內(nèi)側(cè)17，反力工字鋼件21經(jīng)支墩支撐反力支撐件20，在各柔性容器的灌液過程中，反力支撐件20與反力工字鋼件21對各柔性容器形成反力支撐，防止柔性容器在灌液過程中向內(nèi)側(cè)17發(fā)生變形，進而保證荷載加載機構(gòu)的各個柔性容器可向襯砌9施加均勻的荷載力。

監(jiān)測系統(tǒng)包括多點位移計30、應(yīng)變計31、鋼筋計32、滲壓計33、測縫計34、光纖光柵傳感器35、無應(yīng)力計36、磁通量傳感器37、錨索測力計38等多種傳感器以及數(shù)據(jù)采集單元。多點位移計30埋設(shè)于圍巖中，用于監(jiān)測圍巖的位移變形量；若干應(yīng)變計31和鋼筋計32分別埋設(shè)于混凝土襯砌9的內(nèi)層鋼筋和外層鋼筋中，用于監(jiān)測混凝土襯砌9的應(yīng)力應(yīng)變量等受力情況；滲壓計33埋設(shè)于圍巖中，用于監(jiān)測圍巖的滲流滲壓量；測縫計34設(shè)置于圍巖與襯砌之間，用于監(jiān)測圍巖與襯砌之間的開縫量；光纖光柵傳感器35分別布設(shè)于襯砌的內(nèi)、外表面，用于監(jiān)測混凝土襯砌內(nèi)外表面和徑向方向的微變形量；無應(yīng)力計36埋設(shè)于混凝土襯砌9中，用于監(jiān)測混凝土襯砌的體積變化應(yīng)變量；磁通量傳感器37埋設(shè)于混凝土襯砌內(nèi)與錨索對應(yīng)的位置，錨索測力計38通過游動錨頭381與襯砌上的錨具槽382相連接，磁通量傳感器37與錨索測力計38配合用于監(jiān)測環(huán)錨不同位置的錨索受力情況及錨索應(yīng)力損失。數(shù)據(jù)采集單元包括主控芯片，顯示屏等，上述各傳感器感測的信號經(jīng)信號線傳輸至主控芯片，主控芯片對各信號進行處理后經(jīng)顯示屏顯示出來，主控芯片中分別設(shè)定各變形量對應(yīng)的變形閾值，當傳感器采集的信號值超過相應(yīng)的變形閾值時，還可通過一報警器發(fā)出報警。

上述各傳感器的安裝方法是，于混凝土襯砌澆筑前安裝埋設(shè)多點位移計30、滲壓計33、測縫計34；于混凝土襯砌澆筑前，鋼筋綁扎、模板架設(shè)時，將鋼筋計32焊接在非應(yīng)力鋼筋上面，將應(yīng)變計31埋設(shè)于混凝土襯砌內(nèi)部非應(yīng)力鋼筋附近；混凝土襯砌澆筑過程中，埋設(shè)無應(yīng)力計36、磁通量傳感器37(錨索穿過)、錨索測力計38等；光纖光柵傳感器35沿襯砌環(huán)向內(nèi)、外表面各埋設(shè)一圈，在襯砌徑向厚度范圍內(nèi)，按角度均勻布置若干組光纖光柵傳感器，其中，襯砌外表面(朝向圍巖的一面)和徑向方向預埋安裝光纖光柵傳感器，混凝土襯砌澆筑后，襯砌內(nèi)表面刻槽以安裝光纖光柵傳感器。

利用本發(fā)明的裝置進行水壓力試驗的過程及方法是：

1、安裝監(jiān)測系統(tǒng)

澆筑混凝土襯砌前，于圍巖上鉆孔安裝多點位移計30、滲壓計33、測縫計34；

澆筑混凝土襯砌時，綁扎、模板架設(shè)時，埋設(shè)應(yīng)力計31和鋼筋計32，具體是，將鋼筋計焊接在非應(yīng)力鋼筋上面，將應(yīng)變計埋設(shè)于混凝土襯砌內(nèi)部非應(yīng)力鋼筋附近；埋設(shè)無應(yīng)力計36，埋設(shè)錨索時，設(shè)置磁通量傳感器37、錨索測力計38等；

澆筑混凝土襯砌后，沿襯砌環(huán)向內(nèi)、外表面分別埋設(shè)一圈光纖光柵傳感器35，在襯砌徑向厚度范圍內(nèi)，按角度均勻布置若干組光纖光柵傳感器，其中，襯砌外表面和徑向方向預埋安裝光纖光柵傳感器，襯砌內(nèi)表面通過表面刻槽安裝光纖光柵傳感器。

上述各傳感器安裝好后，經(jīng)信號線接入數(shù)據(jù)采集單元；開啟系統(tǒng)，檢查各傳感器是否正常工作，顯示屏是否正常顯示，保證系統(tǒng)可以進行實時監(jiān)測。

2、組裝荷載加載機構(gòu)

混凝土襯砌澆筑完成28天后，根據(jù)襯砌環(huán)段的實際大小，將多個柔性容器、兩兩柔性容器通過連接管組裝連接，組裝成與襯砌環(huán)段相適應(yīng)的獨立封閉結(jié)構(gòu)體，將各柔性容器的外側(cè)緊貼于襯砌環(huán)段的內(nèi)環(huán)面，襯砌環(huán)段底部對應(yīng)的柔性容器上的注液管與灌液泵的出液口相連接，襯砌環(huán)段頂部對應(yīng)的柔性容器上的排氣管穿過襯砌，可向外界排氣。

3、安裝反力機構(gòu)

荷載加載機構(gòu)安裝完成后，在各柔性容器的內(nèi)側(cè)安裝反力機構(gòu)，具體是，在荷載加載機構(gòu)內(nèi)側(cè)，先架設(shè)模板支架，交叉布置工字鋼，然后進行混凝土澆筑以形成反力支撐件；反力支撐件澆筑過程中，可在與工字鋼對應(yīng)的位置設(shè)置磁通量傳感器，用于監(jiān)測反力工字鋼件的應(yīng)力變化情況。

4、調(diào)試及試驗過程

上述監(jiān)測系統(tǒng)、荷載加載機構(gòu)、反力機構(gòu)均安裝完成后，進行聯(lián)合調(diào)試與試驗過程。

首先，對荷載加載機構(gòu)施加荷載進行調(diào)試，達到設(shè)計荷載的5％左右并穩(wěn)荷，保持荷載穩(wěn)定，調(diào)試荷載加載機構(gòu)與補壓系統(tǒng)(灌液泵)的可靠性；其次，對監(jiān)測系統(tǒng)進行調(diào)試，采集和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性、有效性；

上述調(diào)試通過后，按照試驗加載等級和荷載值，進行試驗，通過具有自動補壓功能的灌液泵向各柔性容器加水或水泥漿，在荷載加載機構(gòu)和反力機構(gòu)的配合下，利用水壓力或水泥漿壓力產(chǎn)生的徑向位移對混凝土襯砌層施加均勻的壓力，將壓力加至設(shè)計荷載后，鎖定穩(wěn)壓，并在荷載增幅至該級壓力下自動補壓，保持荷載穩(wěn)定，直至下一級加載，整個過程中，實時監(jiān)測各傳感器采集的數(shù)據(jù)，監(jiān)測襯砌的受力情況與變形過程，通過最大限制的模擬內(nèi)水壓力工況，模擬檢測隧洞充水運營期間混凝土襯砌的施工質(zhì)量及預應(yīng)力施加效果。

所述柔性容器是由薄鋼板焊接而成的扁平形中空囊體，鋼板材料自身不提供環(huán)向約束。于一具體實施例中，薄鋼板的厚度為1毫米，焊接部位鋼板搭接為5毫米柔性容器的高度為2～6厘米，軸向?qū)挾葹?.4～2米，環(huán)向長度為1.0～6.0米。

所述反力支撐件由C30～C60混凝土制成，混凝土的長度即為襯砌進行試驗的長度，混凝土的厚度可采用與襯砌相等的厚度，一般為40-80厘米。

以上所述是本發(fā)明的較佳實施例及其所運用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。