喷膜防水衬砌结构在水工隧洞中的应用_李永光.pdf

喷膜防水衬砌结构在水工隧洞中的应用李永光（喀左县凌河保护区管理局，辽宁 朝阳 122300）摘 要为保证输水隧洞工程质量和耐久性，文中以具体工程为背景提出了喷膜防水复合衬砌结构，利用数值模拟的方式探讨了其在水工隧洞中的应用价值，并取得了良好的工程应用效果，可在今后的工程设计和建设中参考借鉴。关键词输水隧洞；喷膜防水衬砌；衬砌结构中图分类号 U451文献标识码B文章编号 10020624（2023）040035031 工程背景大风口水库位于辽宁省绥中县前卫镇境内的石河中上游。水库坝址以上河长38.7 km，集水面积251 km2，水库为大（2）型水利工程，防洪标准按照100年一遇标准设计，5 000年一遇标准校核1。水 库 的 设 计 洪 水 位 为 113.66 m，校 核 洪 水 为119.48 m。水库的主要建筑物有大坝、溢洪道、输水洞。为了解决绥中电厂供水需求，需要新建 1条输水洞。新建输水洞位于大坝右端原输水洞的右侧，进口及洞身轴线与原输水洞平行。输水隧洞由进口明渠、竖井段、洞身段、明管段及出口压力箱组成，全长1 225.0 m，为洞径2.0 m的圆形有压隧洞，设计流速为0.13 m/s。2 喷膜防水衬砌结构设计方案在地下洞室工程施工过程中，随着新奥法施工技术的逐步成熟，复合衬砌结构逐步发展并成为应用最广泛的衬砌结构形式。但是，传统的复合衬砌结构在初支和二衬之间没有设置土工布和防水板，防水层和初支基面之间存在一定的空腔导致难以紧密贴合，因此，衬砌结构的初支和二衬之间仅能以压力的形式产生相互作用，进而破坏复合衬砌结构的整体性2。结合背景工程的实际情况，在衬砌结构的初支和二衬之间喷射防水膜，凭借其良好的双面粘结性能使衬砌结构之间紧密粘合，实现在初支和二衬之间压应力、拉应力及剪切应力的有效传递，从而使衬砌结构协同性和整体性更强，实现协同受力和共同变形。此次研究中使用的是丙烯酸盐喷膜防水材料3，该材料是以不饱和羧酸盐水性单体为主剂的双组份材料，由加入氧化剂的 A 液与加入还原剂的 B 液组成。相关材料试验结果显示，干燥的丙烯酸盐防水膜的抗压强度可达0.751.20 MPa，抗拉强度可以达到 3.4059.30 GPa/m，剪切强度可以达到 1.953.10 MPa。结合背景工程的实际情况，采取初支结构锚杆C30 喷射混凝土设计，初支混凝土的厚度为20 cm，二次衬砌为C35普通混凝土，厚度为40 cm，初支和二衬之间喷涂一层丙烯酸盐喷膜防水材料。3 Midas GTS有限元计算模型3.1 有限元模型的构建Midas GTS 是北京迈达斯技术有限公司开发的一款岩土隧洞结构专用有限元分析软件，该软2023年第4期东北水利水电水利科研 35DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.014件可以提供多达14种常用本构模型，同时支持用户自定义本构模型，还可以提供便捷的几何建模功能等丰富的后处理功能，目前已经成为岩土行业主流分析设计软件4。此次研究利用Midas GTS软件进行背景工程的有限元计算模型构建。任何一种计算模型的简化，均需要有一定的边界范围5。根据相关工程经验和施工规范，计算模型的模拟范围为左右边界和上下边界均为开挖洞径的35倍。鉴于背景工程的开挖洞径为3.5 m，因此，确定左右边界和上下边界均取 5 倍洞径，即18.0 m。隧洞围岩的岩土体材料均取各向同性的摩尔库伦本构模型，采用二维平面应变模拟，结构材料均取各向同性弹性本构模型，锚杆采用一维植入式桁架单元模拟，喷射混凝土和二衬混凝土均采用一维梁单元模拟6。对几何模型采用四边形单元进行网格剖分，最终获得10 224个网格单元、11 567个节点，有限元模型示意图如图1所示。图1 有限元模型示意图3.2 边界条件与模型参数为了保证模型计算过程中模型不发生位移和转动，对模型底部施加全位移约束，对模型的左右边界施加水平位移约束，模型的顶部设计为自由边界条件，不施加位移约束7。参照以往的工程经验、相关设计规范及现场勘查资料，确定各岩层、初支和二衬结构的物理力学参数8，见表1。3.3 计算方案此次研究的目的是探讨喷膜防水衬砌结构在水工隧洞中的应用价值。因此，在模拟计算过程中，将没有设置喷膜防水结构的普通衬砌结构作为研究中的对比方案，利用数值模拟的方法对不同衬砌结构方案的围岩位移、衬砌结构的位移和应力场进行模拟计算，根据计算结果，对不同的衬砌结构方案进行评价。4 计算结果与分析4.1 围岩位移利用构建的有限元模型，对不同衬砌结构方案的围岩位移场进行模拟计算，结果见表2。从表2 可以看出，隧洞围岩的拱顶部位位移量相对较大，其余部位的位移量相对较小，且两种衬砌结构的围岩位移变化特征基本一致。从普通衬砌和喷膜防水衬砌位移量的计算结果对比来看，喷膜防水复合衬砌结构的围岩位移量相对较小，但是两者的差距并不明显。由此可见，喷膜防水复合衬砌结构约束围岩变形的能力相对较好，与普通衬砌结构相比具有一定的优势。表2 围岩关键部位位移量计算结果4.2 衬砌变形利用构建的有限元模型，对不同衬砌结构方案的初支和二衬结构的位移场进行模拟计算，计算结果见表3。从表3可以看出，无论是初支还是模型材料类围岩类围岩类围岩初支结构二衬结构弹性模量/GPa6.251.240.2725.50280.00泊松比0.280.330.400.200.20容重/（kNm-3）23.420.519.524.025.0粘聚力/kPa75017965-摩擦角/（）36.431.527.0-计算部位拱顶左拱肩右拱肩左拱腰右拱腰左拱脚右拱脚拱底普通衬砌7.724.234.213.353.374.584.533.87喷膜防水衬砌7.554.124.083.023.084.324.313.55mm表1 模型材料物理力学参数水利科研东北水利水电2023年第4期 36收稿日期 2022-06-29二衬，采用喷膜防水衬砌结构时衬砌结构的位移量均相对较小。其中，拱肩、拱腰和拱脚部位的差异最为明显。究其原因，主要是上述部位的结构层间作用主要表现为压应力和切应力，但是，传统的衬砌结构难以在结构层之间传递切应力，而采用喷膜防水衬砌结构的情况下，喷膜的双向粘结性能可以保证剪应力在初支和二衬结构之间有效传递。因此，喷膜防水复合衬砌结构能够提供相对较大的结构刚度，其整体承载力也相对较高。表3 衬砌关键部位位移量计算结果4.3 衬砌应力利用构建的有限元模型，对不同衬砌结构方案的初支和二衬结构的应力场进行模拟计算，计算结果见表4。从表4可以看出，无论是普通衬砌结构还是喷膜防水衬砌结构，其各关键部位应力分布特征基本一致，拱顶、拱肩和拱脚部位的应力值相对较大，其余部位相对较小。从两种不同的支护结构应力计算结果来看，喷膜防水复合衬砌结构的压应力值和拉应力值相对较小，对于提高衬砌结构的整体性和安全性较为有利，具有良好的工程应用价值和作用。5 结 语此次研究以具体工程为背景提出了喷膜防水衬砌结构，并利用数值模拟的方式探讨了其在水工隧洞中的应用价值。计算结果显示，与普通衬砌结构相比，喷膜防水复合衬砌结构具有良好的工程应用效果，建议在工程设计和建设中采用。当然，喷膜防水引水隧洞复合衬砌是一种超静定结构，防水膜的蠕变将导致膜内剪力的减少传递和荷载的重分布，此次研究只对复合衬砌结构做了短期受力变形分析，若要使超静定复合衬砌结构能够更真实地反映其结构层间承受条件和荷载，还应该对其进行长期的剪切试验研究；此外，目前喷膜防水技术应用有限，还需要通过现场试验或工程应用获取更多真实数据，推动喷膜防水技术在隧洞及地下工程中的发展和应用。参 考 文 献1冯硕.绥中县大风口水库供水潜力浅析 J.地下水，2019，44（4）：195-196.2姜明君.基于供水工程引水隧洞工程典型断面衬砌结构分析 J.黑龙江水利科技，2020，48（8）：98-101.3王春国.某水电站导流洞衬砌结构计算对比分析 J.西北水电，2020（4）：86-88.4郭巍巍，刘春锋，卫力.青山冲水库引水放空隧洞衬砌结构计算方法对比与配筋优化 J.水利水电工程设计，2020，39（1）：1-3.5尚斌，耿川，薛万云，胡卫星.抽水蓄能电站钢筋混凝土管道衬砌配筋计算研究 J.水利水电快报，2018，39（4）：41-44.6陈晓东，陈居乾.引大入秦工程长大隧洞及大型跨河建筑物设计与技术创新 J.甘肃水利水电技术，2018，54（10）：3-54.7张肃，丁秀丽，黄书岭.基于均匀设计-响应面-有限元法的软岩隧洞围岩与衬砌结构协同承载可靠性分析 J.长江科学院院报，2021，38（6）：79-85.8黄华.古学水电站引水隧洞结构设计研究 J.水电与新能源，2017（6）：21-25.计算部位拱顶左拱肩右拱肩左拱腰右拱腰左拱脚右拱脚拱底普通衬砌初支7.734.254.243.673.794.774.753.92二衬3.222.882.762.032.013.873.763.03喷膜防水衬砌初支7.673.863.743.123.134.044.053.78二衬2.972.122.151.791.613.183.162.82mm计算部位拱顶左拱肩右拱肩左拱腰右拱腰左拱脚右拱脚拱底普通衬砌压应力5.565.235.154.544.655.125.163.11拉应力0.430.370.280.330.280.410.430.65喷膜防水衬砌压应力4.254.083.873.023.114.324.192.87拉应力0.370.210.150.180.170.350.310.47MPa表4 衬砌关键部位应力计算结果2023年第4期东北水利水电水利科研 37No.4 2023（Total No.465）Water Resources&Hydropower of NortheastDesign and evaluation of reinforcement scheme for hydraulic tunnelthrough broken zone surrounding rockDAI Cheng-zongAbstractScientific and reasonable selection of various hydraulic tunnel reinforcement schemes in broken zone of surroundingrock has very important significance and function for construction monitoring and analysis.In order to provide a strong support forthe construction of water-rich fractured rock underground cavern,this paper takes the concrete project as the background and usesthe numerical simulation method to analyze and evaluate the reinforcement scheme of hydraulic tunnel passing through the fracturedrock zone,which can provide certain support and reference for the related research.Key wordshydraulic tunnel；broken zone；reinforcement schemeStudy on influence of sudden expansion ratio on energy dissipationcharacteristics of down-expansion type stilling poolWANG Ji-dongAbstractThe ratio of sudden expa