引水隧洞運行期襯砌結構安全狀態評價研究

樊立博

(中國安能集團第三工程局有限公司，成都 611135)

1 概 述

水工隧洞是引水工程中較為重要的工程項目，水工隧洞的穩定性和結構的健康狀況直接關系到引水工程的正常使用，因此對使用中的引水隧洞襯砌結構進行安全性評價是至關重要的。

對于建筑、道路、橋梁、隧道(隧洞)病害研究目前已經取得較為豐碩的成果。趙永國等[1]以公路病害為研究對象，通過對病害類型進行分類，得出病害的成因并提出了相應的防治措施；張素磊等[2]對隧道結構建立模型，分析其產生病害的主要成因；王桂平等[3]將神經網絡模型運用于隧道襯砌結構安全狀態評價中；ZHOU等運用數理統計的方法構建了隧道結構健康狀況評價體系模型，對既有隧道健康狀況進行評價；RAO等[4]使用層次分析法分析了隧道結構穩定性的影響因素，并建立評價模型對隧道結構健康狀況進行評價；李明等[5]建立了隧道襯砌結構健康狀況評價模型，并對既有隧道進行動態評價；王亞瓊等[6]提出了將非對稱貼近度運用于隧道襯砌結構健康評價體系中；孫可等[7]將層次分析法運用于盾構隧道使用過程中的評價體系中，通過驗證具有良好的效果。

基于前人對既有結構建立健康評價體系，本研究采用GSA-PP算法模型對某投入使用的水工隧洞建立結構安全狀態評價體系，對影響結構健康的因素進行分析，并將建立的評價模型應用于該引水隧洞不同區段健康狀況評價中。

2 工程概況

引水工程作為很多城市目前在建的大型水利工程，水工隧洞是引水工程中較為常用的工程。本研究以某大型引水工程水工隧洞為研究對象，該水工隧洞工程為無壓水工隧洞，建于1993年，1995年投入使用，隧洞全長15.722 km，隧洞結構圖見圖1。隧洞結構形式為拱頂直墻、反式拱底板的結構形式，內洞寬度為4.2 m，內洞高為4.4 m，隧洞設計水流流量為28.9 m3/s，最大埋深為403 m，該隧洞襯砌結構主要采用現澆C20鋼筋混凝土和預制拱圈的結構形式。

圖1 水工隧洞結構圖

3 工程運行情況

該水工隧洞投入使用至今約26年，在使用過程中，根據工程使用記錄資料，主要存在下列病害問題：

1) 在工程運行初期，襯砌結構采用的是C15等級的素混凝土，該結構形式抗滲性、抗裂性、力學性能差，經常出現襯砌結構開裂、襯砌結構變形過大等結構病害。

2) 由于該區域水流的礦物成分較高，經常對二次襯砌結構產生腐蝕，再加上水流的沖刷作用，導致二次襯砌結構強度降低，同時也造成墻后圍巖結構不穩定、圍巖結構變形破壞等問題。

3) 由于該水工隧洞地處巖層破裂區域，再加上該隧洞埋深較大，從而加劇了該水工隧洞的變形破壞。

4) 使用過程中，建設單位對二次襯砌結構采用錨桿和灌漿的方式對二次襯砌進行處理。但由于施工單位未采用合理的施工工藝，二次襯砌結構的裂縫和滲水現象不僅未得到有效緩解，甚至有加劇的趨勢。

5) 建設單位同時對隧洞結構采用鋼拱架的方式進行處理，由于墻后圍巖的變形，從而引起了二次襯砌開裂和鋼拱架變形等問題。

6) 部分隧洞結構由于墻后圍巖壓力以及襯砌結構不協調變形的原因，出現了大面積的塑性變形。

4 隧洞監測

根據現場監測及實地測量，通過下列的測量儀器測出該水工隧洞的病害參數：

1) 為了檢測隧洞結構的變形，在圍巖結構上布置位移計；二次襯砌結構表面布設收斂變形觀測儀；鋼支撐結構表面和襯砌結構內部布設應變片；采用全站儀現場觀測隧道的變形位移情況。

2) 在襯砌結構裂縫處，布設裂縫計測量裂縫的寬度變化情況。

3) 利用超聲波技術和鉆芯取樣相結合的方法，測量二次襯砌結構的混凝土強度變化情況。

4) 對鋼筋部位襯砌結構進行鉆芯取樣，剝離出內部鋼筋，對鋼筋的銹蝕、強度狀況進行檢測。

5) 采集輸水管道中的水，測量地下水的礦物質含量、pH值等含量；在同一滲水斷面多點布設滲壓計，測量水工隧洞滲水狀況。

6) 利用地質雷達等無損探測設備測量二次襯砌結構內部的損傷裂縫和圍巖結構缺陷。

5 評價體系的建立

根據相關的標準、規范，建立隧洞評價指標體系，見圖2。

圖2 水工隧洞評價指標體系

對圖2中評價體系中的一級指標和二級指標值結合相關規范進行量化，并對量化后的指標值建立評判標準，水工隧洞評價指標評定標準見表1。

表1 水工隧洞評價指標評定標準

6 水工隧洞結構評價

該水工隧洞結構檢測值見表2，將檢測結果進行標準化處理后的結果見表3。

表2 水工隧洞結構檢測值

表3 評價指標標準化結果

將處理后的標準化評價指標結果構造目標函數，采用GSA算法計算PP模型的最佳投影位置，對GSA算法的參數設置見表4。將數據和參數帶入GSA算法模型中進行計算，得到PP模型的最佳投影方向為б={0.369 7，0.372 9，0.310 2，0.293 4，0.279 7，0.187 5，0.225 8，0.054 6，0.289 8，0.225 2，0.177 1，0.299 0，0.183 7，0.291 1}，該最佳投影方向的數值表明各分量在該水工隧洞結構體系評價中的權重。分析б中分量的取值可以發現，較大的幾個分量取值分別為0.372 9、0.369 7、0.310 2、0.293 4、0.291 1、0.289 8，分別代表縫隙寬A2、縫隙長A1、縫隙深A3、襯砌結構剝落直徑E2、滲水形態B1、空洞部分深度F2。

表4 GSA算法參數取值

通過得到的PP模型的最佳投影方向計算各區段Ⅰ-區段Ⅴ的結構評價指標投影值б(i)={3.021 5，7.946 8，1.011 3，1.011 2，3.013 1，1.913 9}。結構評價指標投影值分量越大，表明該分段水工隧洞結構健康狀況越良好。

TOPSIS法是統計學中使用較為廣泛且較為簡潔的多目標決策分析方法，將上述GSA-PP 模型算法與TOPSIS法計算得到的結果進行比較，見表5。

表5 GSA-PP 模型算法與TOPSIS法計算結果對比

分析表5中的數據可得，GSA-PP 模型算法與TOPSIS法計算得到的結果完全相符，水工隧洞結構最健康的是區段Ⅰ、區段Ⅴ，兩隧洞結構完全能滿足該隧洞的正常使用。區段Ⅱ、區段Ⅵ隧洞健康狀況相對較差，需要對其采取一定的措施，區段Ⅱ的破壞主要是因為該區段原始圍巖破壞較為嚴重，出現較為嚴重的斷層現象，襯砌結構出現較為嚴重的裂縫破壞，因而水流進入襯砌結構以及圍巖中，使得這種變形破壞過程出現惡性循環。經過維修加固后，該區段水工隧洞較為緩解，但仍舊有局部出現裂縫并發育，同時襯砌結構滲水現象仍未完全消除。區段Ⅲ、區段Ⅵ隧洞健康狀況最差，區段Ⅲ結構健康狀況差的原因在于水流中的礦物質成分和無機鹽進入襯砌結構中，導致襯砌結構中的鋼筋出現嚴重的銹蝕破壞，進而引起保護層混凝土剝落，出現大面積襯砌結構破碎現象，需要進一步采取措施抑制襯砌結構繼續破壞，以及采用支撐結構控制隧洞內徑的變形。

7 結 論

本研究通過GSA-PP算法模型對結構健康狀況進行評價，分析影響結構健康的因素，并對比區段Ⅰ-區段Ⅵ的健康狀況，得到以下結論：

1) 對襯砌結構影響較大的因素主要包括縫隙寬、縫隙長、縫隙深、襯砌結構剝落直徑、滲水形態、空洞部分深度，通過對其采取一定的措施可以有效提高襯砌結構的健康狀況。

2) 對比分析GSA-PP 模型算法與TOPSIS法計算結果發現，其計算結果完全吻合，說明利用GSA-PP 模型算法對水工隧洞健康狀況進行評價是合理有效的。

3) 在所研究的水工隧洞區段中，襯砌結構健康狀況由優到劣依次為區段Ⅰ、區段Ⅴ、區段Ⅱ、區段Ⅵ、區段Ⅲ、區段Ⅳ。