输水隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化设计分析

薛 广 文,曹 国 鲁,蔡 俊 伦,李 晓 克

(1.广东粤海珠三角供水有限公司,广东 广州 511458; 2.华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450045)

0 引 言

环形预应力技术已成功应用于输水隧洞预应力混凝土衬砌结构[1-2],相关研究表明其锚具槽位置的布设[3]及成型方式对结构设计、施工以及后期运营维护都有明显的影响。

目前,中国已有多个水工隧洞预应力混凝土衬砌采用组合模板方式成型锚具槽[4-5],预应力钢筋张拉前对槽口内壁混凝土进行人工凿毛处理[6-7]。锚具槽成槽形式以矩形口居多,比如中国首个采用预应力混凝土环形衬砌技术的清江隔河岩水电站引水隧洞[8]、采用环形有粘结预应力混凝土衬砌方案的南盘江天生桥一级水电站引水隧洞[9]、采用环锚无粘结预应力衬砌技术的黄河小浪底排沙洞[10-11],以及大伙房水库输水隧洞和南水北调中线穿黄隧洞[12-13]均采用矩形口,且它们在成型后均需拆除模板、槽壁凿毛和残渣清理。由于槽口内需布置环锚及锚固段钢绞线,增加了混凝土回填施工难度,易造成回填混凝土不密实、与原混凝土界面粘结强度不足等缺陷,导致锚具槽部位出现渗油渗水等不利状况,进而影响预应力混凝土结构的耐久性[14-15]。同时,拆除模板产生的废弃聚苯乙烯泡沫板,槽壁凿毛产生的混凝土垃圾,均会造成资源浪费和生态环境污染。

针对目前水工隧洞预应力混凝土衬砌结构锚具槽成型方式存在的不足,在珠江三角洲水资源配置工程中,工程人员在现有锚具槽成型方式的基础上,以超高韧性细石混凝土为原材料,制作了预制装配式免拆模板锚具槽。为研究衬砌结构采用该锚具槽后的受力状态,本文对采用该锚具槽的预应力混凝土衬砌开展有限元模拟分析,并将其与采用常规锚具槽的预应力混凝土衬砌受力特征进行对比。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程穿越珠三角核心城市群,输水线路总长度113.2 km,在平均埋深40～60 m的地下建造[16-17]。干线工程单线盾构隧洞长30.5 km,隧洞直径6.4 m,无粘结预应力混凝土衬砌厚度为0.55 m,混凝土强度等级为C50,内槽口采用HM锚固体系[18]。设计最大内水压力1.3 MPa。由于隧洞内水压力高,目前国内外尚无可直接借鉴的工程实例。为确保工程建设质量及运营安全,在工程现场开展了预应力混凝土衬砌1∶1真型试验,真型试验场地布设如图1所示。

图1 预应力混凝土衬砌1∶1真型试验场地布设

2 锚具槽区域应力分析

真型试验由管片外衬和预应力内衬组成,钢绞线采用双层双圈环形布置。管片外径8.3 m,厚度0.4 m,共7环,总长度11.2 m;预应力内衬内径为6.4 m,衬砌厚度均为0.55 m,混凝土等级为C50。真型试验模型总长度为9.96 m,由3段预应力内衬和2条止水缝组成,预应力内衬节段1和节段3长度均为2.55 m,节段2长度为4.8 m,止水缝厚度为0.03 m。相邻锚具槽中心间距为0.5 m,在内衬左、右两侧45°位置交替布置。锚具槽沿纵向分布如图2所示,在节段2和节段3分别布设一个预制装配式免拆模板锚具槽,其余均采用常规锚具槽。

图2 锚具槽沿纵向布置

2.1 有限元模型

对真型试验节段2部分建立三维有限元模型,整体建模在ORTZ柱坐标系下进行,规定隧洞纵向垂直向外为Z轴正方向,R和T分别为隧洞径向和切线方向,坐标轴原点O位于纵向坐标为0的圆心处。混凝土结构采用SOLID65单元进行模拟,如图3～4所示。钢绞线采用LINK8单元进行模拟,如图5所示。根据结构受力特性划分单元网格,对关键部位和截面突变部位进行适当的加密处理。

图3 1∶1真型试验三维有限元模型

图5 钢绞线三维有限元模型

为明确锚具槽区域应力状态,规定衬砌底部中垂线所在的位置为0°,沿衬砌结构内表面逆时针旋转90°至衬砌腰部位置,在此范围内分析锚具槽的应力分布规律。

2.2 常规锚具槽区域应力分析

钢绞线张拉完成且微膨胀混凝土回填后,常规锚具槽环向应力分布如图6～9所示。

图6 张拉完成后常规锚具槽混凝土衬砌环向应力

由图6和图7可知,钢绞线张拉完成阶段后,混凝土衬砌绝大部分区域为受压区,但在锚具槽槽口端部及行车道顶部存在局部受拉区,锚具槽尚未回填时对混凝土衬砌整体受力不利。由图8和图9可知,微膨胀混凝土回填后,锚具槽槽口端部拉应力集中现象消失,仅在行车道顶部存在局部受拉区。

图7 张拉完成后常规锚具槽环向应力

图8 常规锚具槽回填后混凝土衬砌环向应力

图9 回填后常规锚具槽区域环向应力

2.3 免拆模板锚具槽区域应力分析

钢绞线张拉完成且微膨胀混凝土回填后,免拆模板锚具槽环向应力分布如图10～15所示。

图10 免拆模板锚具槽张拉完成混凝土衬砌环向应力

由图10和图11可知,钢绞线张拉完成后,采用免拆模板锚具槽的混凝土衬砌绝大部分区域为受压区,仅在锚具槽槽口端部及行车道顶部存在局部受拉区,锚具槽尚未回填时对混凝土衬砌整体受力不利。

图11 张拉完成免拆模板锚具槽区域环向应力

由图12和图13可知,微膨胀混凝土回填后,免拆模板锚具槽口端部拉应力集中现象消失,仅在行车道顶部存在局部受拉区。此时,最大环向压应力位于免拆模板锚具槽的角部位置,表明采用免拆模板锚具槽可提高锚具槽角部的压应力,有效避免混凝土衬砌沿着锚具槽角部开裂。

图12 免拆模板锚具槽回填后混凝土衬砌环向应力

图13 回填后免拆模板锚具槽区域环向应力

由图14和图15可知,免拆模板锚具槽局部有较大的拉应力,其位于钢绞线穿越锚具槽的位置,原因是采用节点耦合方式建立有限元模型,导致张拉过程中钢绞线与附近混凝土产生拉应力集中现象。免拆模板锚具槽两端模板拉应力峰值约为1.2 MPa,其余均为压应力。材料试验表明:对于超高韧性细石混凝土,其28 d的抗拉强度为4.71 MPa,90 d的抗拉强度为5.68 MPa,故预制装配式免拆模板锚具槽处在安全状态。

图14 张拉完成免拆模板锚具槽局部环向应力(单位:Pa)

图15 回填后免拆模板锚具槽局部环向应力(单位:Pa)

2.4 锚具槽区域应力值对比

整理分析常规锚具槽和变宽度免拆模板锚具槽有限元模拟计算结果,如表1所列。

表1 混凝土衬砌锚具槽区域应力状态

由表1可知,预制装配式免拆模板锚具槽角部存在较大的环向压应力,可避免锚具槽槽壁因拉应力集中而沿角部开裂。有限元分析结果表明:常规锚具槽底模板的内外表面应力存在较大应力差,有起拱的趋势;预制装配式免拆模板锚具槽呈内大外小倒置漏斗形状,其免拆模板对微膨胀混凝土的约束明显增加,进而限制了底模板的膨胀起拱,提高了回填混凝土与原混凝土衬砌的粘结性能。

2.5 试验验证

为验证数值模拟得到的预制装配式免拆模板锚具槽区域应力状态,在锚具槽两侧及端部的混凝土衬砌内布设15个应变计,监测锚具槽周边混凝土应力变化规律,应变计布置位置及编号如图16所示。

在预应力张拉及微膨胀混凝土回填阶段,对锚具槽周边区域混凝土应力实时监测,混凝土实测应力值和有限元计算应力值如表2所列。

表2 预应力混凝土衬砌实测应力值与计算应力值

由表2可知,1号、5～8号、14号应变计测试部位混凝土出现拉应力,且1号、6号、8号、14号处的拉应力足以使混凝土衬砌产生裂缝,但是在试验模型中并未发现这些位置出现裂缝,且在充水加压试验后,用裂缝探测仪检测,这些位置处仍然未发现裂缝,表明该位置应变计实测值有误,为此将在后期分析其测量值偏差较大的原因。其余位置应变计实测应力与有限元计算应力吻合较好,验证了数值模拟分析的准确性和有效性。

3 结 论

(1) 预制装配式免拆模板锚具槽呈内大外小倒置漏斗形状,可有效增强免拆模板对微膨胀混凝土的约束,限制底模板起拱趋势,提高回填混凝土与原混凝土衬砌的粘结性能。

(2) 有限元模拟结果表明,装配式免拆模板锚具槽不仅可提高混凝土衬砌的环向预压应力效果,也可增加锚具槽角部的环向压应力,避免混凝土衬砌沿锚具槽角部开裂。

(3) 装配式免拆模板锚具槽在提高施工工效,降低工程成本,避免施工过程中产生废弃混凝土和废弃聚苯乙烯泡沫板垃圾,较常规锚具槽具有明显的优势,可推广应用于类似工程。