大伙房水库输水隧洞预应力混凝土衬砌研究.pdf

水利科研 东北水利水电 2 0 1 2 年第 5 期 【 文章编号 1 o o 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 2 8 0 2 大伙房水库输水隧洞预应力混凝土衬砌研究 魏长勇 ， 栾卫 中2 ( 1 辽宁大伙房水库管理局 ， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 7 ； 2 大唐长春第二热 电有限责任公司 ， 吉林 长春 1 3 0 0 0 0) 摘 要 大伙房水库输水( 二期) 隧洞围岩地质条件复杂， 其中有 8 k m多为浅埋 、 v类围岩 段。 工程采用了无粘结预应力混凝土衬砌技术。 文章通过对几种荷载组合条件下的应力分析， 为断 面设计提供 了依据 。 关键词隧洞； 无粘结； 预应力； 衬砌 中图分类号】T V5 4 6 文献标识码 A 1 工程概 况 大伙房水库输水( 二期 ) 工程是大伙房水库输 水工程 的配套工程 ， 隧洞位于抚顺市南郊 ， 浑河南 岸。 隧洞段全长 2 9 k m， 隧洞断面为圆形， 直径 6 m。 洞线 穿越 的地层属华北地层 区，主要为太古 代花岗质片麻岩、中生界侏罗系小东沟组和白垩 系梨树沟组、 燕山晚期侵入岩、 新生界第四系及人 工堆积物。洞线穿跨的岩体一般为微风化或新鲜， 较完整 ，局部沟谷段或断层带为全风化 弱风化 ， 破 碎 完整性差 。洞线穿过洞线 的断层有 9条 ， 断 层一般沿河谷发育， 以较大角度与洞线斜交， 以压 或压扭性为主， 区域构造相对稳定。 在 、 v类围岩段 ，尤其是隧洞进出口段， 多 为页岩 、 泥 岩、 凝灰岩 、 辉绿岩等软岩 ， 岩体破 碎 ， 风化严重 ， 部分地段洞室上部围岩厚 度只有 9 m， 覆盖层薄。不良地质条件下隧洞结构设计在二期 工程隧洞段显的更为重要。 2 隧洞预应力混凝土衬砌 2 1初期支护 隧洞采用新奥法进行施工 ，初期采用喷混凝 土， 设置锚杆加钢筋网， 并根据围岩情况局部设置 钢格栅等。 28 2 2隧洞衬砌研究 2 2 1 后 张 法预应 力混凝 土衬砌 的提 出 因围岩抗渗能力差，内水外渗将导致围岩失 稳 ， 对上部环境破坏严 重 ， 很难 处理 ， 必须 采取严 格的防渗要求 ， 衬砌结构按抗裂设计。应采用预应 力混凝土或钢板衬砌。 根据意大利、 瑞士等国家， 对输水隧洞采用后 张法预应力混凝土衬砌与钢板衬砌的比较资料， 输水洞采用预应力混凝土衬砌， 具有节省投资， 施 工期短 ，能保护其 内部钢 筋和钢绞线不致锈蚀 的 优点。 2 2 2 预应 力 钢 绞线 布置 衬砌混凝土预应力是通过对布置在衬砌外缘 的钢绞线张拉实现的。为了张拉锚固， 需在衬砌断 面内侧布置锚具槽 ， 通过钢绞线张拉变形 ， 使衬砌 受到挤压 ， 使衬砌截面形成预压应力。 预应 力隧洞的预应 力筋布置方案如 图 1 所 示。 预应力钢筋采用高强无粘结低松驰 1 8 6 0 级 4 1 5 2 4 钢绞线， 公称截面面积A 口 = 4 x 1 3 9 1T 1 n 2 。 预 应力筋束沿管道轴向的中心间距为 4 7 0 m m， 采用 双层双圈无粘结预应力钢绞线环锚支撑变角张拉 技术， 环锚锚板锚固端和张拉端各设 4 个锚孔， 内 层 2 根钢绞线从锚固端起始 ，沿内层圆周环绕 2 2 0 1 2 年第 5 期 东北水利水电 水利科研 圈后进入内层张拉端， 外层 2 根钢绞线从锚固端起 始 ， 沿外层圆周环绕 2圈后进入外层张拉端 ， 钢绞 线锚 固端与张拉端 的包角为 2 x 3 6 0 o 。预 留内槽 口 长度为 1 3 m， 中心深度为 0 2 0 m， 宽度为 O 2 0 m。 图 1 双层双 圈无粘 结预 应力钢 绞线布 置图 n a r n 2 2 3 基本资料 1 ) 材料特性。预应力衬砌混凝土强度等级C 4 0 ， W1 0 。混凝土轴心抗压强度标准值 = 2 7 0 MP a 、 设计值 =1 9 5 MP a ， 混凝土轴心抗拉 强度标准值 = 2 4 5 MP a ， 弹性模 量 E c = 3 2 5 1 0 MP a ， 泊松 比 =0 1 6 7 o 预 应 力钢 筋采 用 1 8 6 0级 无粘 结预 应 力钢绞 线 ， 张拉控 制应 力 = 0 7 =1 3 9 5 MP a 。锚具采 用夹片环锚 ， 锚具变形和钢筋内缩值 a = 5 mm。预 应力钢绞线与孔道壁的摩擦系数 = 0 0 0 3 5 ， 考虑 孔道每米长度局部偏差的系数 k = 0 0 0 0 7 。普通钢 筋采 用标准热轧 I I 级钢筋 。 隧洞直径为 6 m， 衬砌结构愈薄 ， 预应力效果 愈显著 ， 选定衬砌厚度 5 0 0 mm。 2 ) 荷载。内水压力按 5 0 m考虑， 山岩压力的 计算与钢筋混凝土衬砌计算型式相同，外水压力 按系数折减法估算 ， 灌浆压 力为 0 5 MP a 。 3 ) 荷载及其组合。计算考虑 的主要 荷载有 山 岩压力、 衬砌 自重、 内水压力、 钢绞线张拉产生的 预应 力 、 外 水压 力、 灌浆压 力等荷载 ， 并根 据运 用 情况确定荷载组合。 根据工程建设及运用情况 ， 计算考虑运行期、 检修期、 施工期工况， 钢绞线应力计算 ， 分为钢绞 线张拉控制值计算和预应力损失计算 ， P o = O 7 5 。锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失 按 2阶段考虑 。 2 3 结构计算 2 3 1 结构计算模型 采用通用有 限元分析软件 A NS YS ，进行有限 元数值模拟计算。 考虑围岩厚度影响， 取不小于两倍的洞径， 实 际按 2 0 m引入计算。 在所取计算范围底部岩石边 界为全固定， 顶部岩石边界为自由； 两侧岩石边界 为垂直边界面的连杆约束。其中 ， Y坐标轴分别 对应衬砌 的水平和竖直方 向 ， 数值模 型共计 3 0 7 8 个节点、 2 9 7 8个单元。其 中平面单元采 用二维块 体元 P l a n e 4 2 模拟， 共计单元 2 7 1 0 个； 预应力钢筋 采用杆件元 L i n k 8模拟 ， 共计单元 2 6 8 个 。 预应 力钢绞 线和钢筋混凝土衬砌分别单独建 模，充分考虑了曲线预应力钢绞线对混凝土的作 用，使得有限元模型能够更真实的模拟预应力钢 绞线的曲线形式。预应力钢绞线的单元节点与钢 筋混凝土单元间通过约束方程法 ，建 立起相互作 用的关系 ，隧洞预应 力衬砌数值模型 中预应力钢 绞线单元节 点和混凝土单元节点之间 ，通过约束 方程建立节点耦合 ， 共计 5 1 2组约束方程。 2 3 2 计算原则 1 ) 正常使用极限状 态验算 。预应 力衬砌正常 使 用极 限状态设计表达式为 ： 【 G ， ， ) c 式中： 。_ _ _ 一结构重要性系数， 取 1 1 ； ( ) 作 用( 荷载 ) 效应组合的功能函数； c 结构的功能 限值 ； G 永久作 用( 荷载 ) 标准值 ； 可变 作用( 荷载 ) 标准值； 材料强度标准值； 结构几何参数的标准值。 结构功能限值按二级裂缝控制等级取值 ： 作 用( 荷载 ) 效应短 期组合下 ， 结构受拉边缘混凝 土 的允许拉应力限制系数 = 0 5 ， 即： 一 0 5 y f = 1 9 MP a 作用( 荷载 ) 效应长期组合下， 结构受拉边缘 混凝的允许拉应力限制系数 = 0 3 ， 即： 一 0 s e a= 1 1 4 MP a 式中： ， 厂一 分别为作用 ( 荷载 )效应短期组 合、长期组合下验算边缘的混凝土法向拉应力； 扣除全部预应力损失后在验算边缘混凝土 的预压应力； 混凝土的轴心抗拉强度标准 值； 广截面抵抗矩塑性系数， 取 y = 1 5 5 。 ( 下转第 4 3页) 2 9 2 0 1 2年第 5期 东北水利水电 水生态环境 表 4 相对 误差统计 表 3 3 两种方法测定值显著性检验一 检验的测试 t 检验 法是检 验平均 值与 标准值 或两 组平均 值是否有显著性差异的。成 对观 测值 的比较一 检 验法 ， 适 用于两种处理方法所得成对观 测值 ， 即两 种方法测定结果之间是 否有显著性差异 的。 经过表 5 对测定结果作配对t 检验，t = O 5 8 t ( 2 0 4 2 。结果证明用 自动电位滴定法和手工滴定法 ， 表 5 显著性检验成果表 测定水中氯化物含量是无显著性差异的。 4 结论 通过以上多种检验测试证 明 ，用自动 电位滴 定法测定水体中的氯化物是切实可行的，自动电 位滴定仪法具有 自动化程度高、 操作简便 ， 测定快 速 、 准确 、 重复性好等优 点。因此采用 自动电位滴 定仪 法测定水 中氯化物 ， 可 以省时 、 省 力、 提高工 作效率， 减轻检测人员的工作量， 还能消除手工测 试中的偶然误差， 从而提高样品检测的准确度。 【 收稿 日期】 2 0 1 2 一O l - 0 5 ( 上接第 2 9页 ) 2) 施工期应 力验算 。预应 力衬 砌施工 期应 力 验算表 达式为 ： c r O 7A = 1 7 2 MP a 0 =2 4 3 M Pa 式 中： O a ， 相 应验算工况计算截 面边 缘纤 维 的混凝土拉应力、压应 力 以 以 与相应验 算 工况混凝土立方体抗压强 度 厂 拙 相应的轴心抗拉、 抗压强度标准值。 2 3 3 应 力计算结果 1 ) 运行期。基本 荷载组合作用下 ， 隧洞预应力 衬砌沿环向均为压应力，最小环向预压应力为一 O 3 4 MP a ， 最 大环 向预压 应 力为一1 7 7 MP a ； 预应 力钢筋最大拉应 力为 1 1 1 0 2 MP a ， 最小拉应 力为 1 0 5 5 2 MP a 。满足设计要求。 2 ) 施工期。施工期隧洞预应力衬砌沿环向均 为压应力， 最小环向预压应力为一 4 5 5 MP a ， 最大 环向预压应力为一 2 3 8 9 MP a ， 不超过 一 2 4 3 MP a ， 即 不大于 0 ；预应力钢筋最大拉应力为 1 0 4 1 3 MP a ， 最小拉应力为 9 9 6 1 MP a 。满足设计要求。 3) 检修 期。检修期隧洞预应力衬砌沿环 向均 为压应 力 ， 最小环 向预压 应 力为一 1 2 7 MP a ， 最大 环 向预压应力为一 2 0 4 3 MP a ，不超过一 2 7 MP a即 不 大 于 ；预 应 力钢 筋 最 大 拉应 力为 1 0 5 7 9 MP a ， 最小拉应力为 9 8 2 6 MP a 。满足设计要求。 3 结论 根据上述 3个工况的分析 ， 可以得出以下结论 ： 1 ) 各断面均为压应 力， 而且最大 、 最小应 力分 布均匀。 2) 最大压应力小于混凝土的允许压应 力。 3) 全截面上的最小压应力大于 0 ， 属于全预应 力混凝土机构 。 4 ) 隧洞预应力衬砌 在各 工况下的 内力可满足 设计要求。 由于预应力混凝土施工的特殊工艺要求， 上述 计算结果有待于预应力衬砌实验成果进行验证。 【 收稿13 期】 2 0 1 2 0 2 1 0 4 3