本實用新型涉及一種模擬隧道內(nèi)水壓力的試驗裝置,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(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù),環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌又可分為有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌和無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌兩種。
在環(huán)錨預(yù)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(yù)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(dǎo)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(dǎo)致加載不均勻,嚴(yán)重時襯砌會出現(xiàn)局部加載過大出現(xiàn)裂縫,導(dǎo)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,本實用新型的目的在于提供一種模擬隧道內(nèi)水壓力的試驗裝置,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(yù)應(yīng)力施加效果,為預(yù)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,本實用新型采用以下技術(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(dāng)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。
本實用新型的優(yōu)點是:
本實用新型的模擬隧道內(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(yù)應(yīng)力施加效果,為預(yù)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是本實用新型的模擬隧洞內(nèi)水壓力的試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實用新型的荷載加載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本實用新型的反力機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)的分布結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本實用新型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實用新型作進一步詳細(xì)的說明。
如圖3-7所示,本實用新型的模擬隧道內(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(dāng)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(yù)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。
利用本實用新型的裝置進行水壓力試驗的過程是:
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(yù)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(yù)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。
以上所述是本實用新型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,在不背離本實用新型的精神和范圍的情況下,任何基于本實用新型技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變,均屬于本實用新型保護范圍之內(nèi)。