輸水隧洞粘鋼加固效果影響因素的有限元分析

陳錦慶，曹生榮

(1. 深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036；2. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

近年來，為了解決地區間水資源分布不均的問題，我國的跨流域引調水工程建設發展迅速。越來越多的輸水隧洞投入運營使用。但由于運行期受力環境的變化以及結構材料不可避免的性能老化等眾多因素的影響，水工輸水隧洞襯砌混凝土常會出現掉塊、開裂、滲漏等各種病害[1]。這些病害的存在會導致輸水隧洞襯砌結構的安全性、穩定性和耐久性，部分病害的持續發展甚至可能會引起隧洞坍塌等重大安全事故。因此，需要適時對隧洞襯砌結構采取合適的補強加固措施。粘鋼加固法由于具有施工便捷、自重較小、加固效果良好等優點在水工輸水隧洞襯砌結構補強加固中的應用越來越廣泛，如花涼亭水庫引水隧洞裂縫粘鋼加固處理[2]、回龍抽水蓄能電站尾水隧洞粘鋼加固處理[3]等。

目前已有的相關研究成果大多是粘鋼加固混凝土梁的影響因素研究[4-9]，相關研究表明：粘鋼加固混凝土梁的主要影響因素有鋼板厚度和材料強度、膠層厚度及粘結性能等。而水工隧洞襯砌結構與混凝土梁結構存在較大差別，其區別主要在于水工隧洞襯砌結構的荷載、結構與材料本構關系更加復雜，開展試驗研究更加困難。現有的水工隧洞粘鋼加固工作主要依據相關工程經驗開展，缺乏對加固效果影響因素及主要技術參數選擇的系統分析，其理論性有待進一步提升。故本文以深圳市東江水源工程年豐6#支線隧洞段作為案例，開展相應的有限元數值模擬研究，分析水工隧洞粘鋼加固影響因素，對優化加固方案、提升加固效果具有較強的現實意義[10]，以期給相關工程提供參考。

1 有限元建模

本計算模型范圍取為以隧洞底板中心為原點，采用笛卡爾坐標系，上至頂部，下、左、右各25 m，沿水流方向長度取5 m。對模型底部施加全約束，左右面及前后面施加法向約束。計算考慮的荷載包括重力、內水壓力(3.5 m水頭)、外水壓力(0.6 MPa)。

整體有限元模型如圖1所示，襯砌與其附屬部分模型關系如圖2所示。

圖1 整體有限元模型圖(單位：m)

圖2 襯砌與附屬部分模型關系圖

2 主要影響因素及計算分析

2.1 加固方案設計

為分析粘鋼加固主要影響因素對加固效果的影響，依據工程資料并參考相關案例，設計了6種粘鋼加固方案(方案0未加固方案，表中不列出)，各加固方案的影響因素設置情況如表1所述。

表1 粘鋼加固方案 mm

為得到各個因素對加固效果影響的結論，將上述加固方案中，就鋼板厚度，選取方案4與1、方案5與2進行對比；就鋼板材料，選取方案2與1、方案5與4進行對比；就膠層厚度，選取方案1與3、方案5與6進行對比。

2.2 計算結果及處理

以下是通過有限元模擬計算得到不同加固方案的計算結果，并對數據進行處理。

1)襯砌變形量。襯砌的變形主要有頂拱沉降、邊墻凹陷、底板隆起這三個特征量，如圖3所示。它們是對應位置在變形前后所產生的最大位移差值。變形量結果統計如表2所示。

圖3 特征變形量示意圖

表2 變形結果統計 mm

2)襯砌開裂范圍。在襯砌各部分的單元劃分尺寸相同的條件下，統計開裂單元的位置和數量即可定性分析開裂位置并定量分析開裂范圍的體積。開裂單元數量除以襯砌某部分的單元總數量即為開裂范圍占比，再乘以該部分的體積即為開裂范圍的體積。根據隧洞劃分尺寸可計算出各部分的體積。該計算洞段的底板體積為1 158.8 dm3；頂拱的體積為1 661.1 dm3；左、右邊墻的體積均為770.6 dm3；開裂范圍的結果如表3所示。

表3 開裂范圍計算結果(0.6 MPa外水壓力條件下)

根據襯砌開裂結果及模型的對稱性，取5條主要代表性裂縫，位置分別是頂拱外側起拱處、邊墻內側中部、邊墻外側底部、底板外側端部和底板內側中部，如圖4所示。

圖4 裂縫位置圖

本文選取襯砌變形量、開裂范圍占比和最大裂縫寬度作為粘鋼加固加固效果的三個評價指標表征量。

2.2.1 鋼板厚度的影響

將方案4、方案5的加固效果表征量結果作為基準，計算方案1、方案2對應結果的變化值，對比分析由于鋼板厚度增大對粘鋼加固加固效果的影響。方案4與方案1、方案5與方案2的計算結果變化值對比分析如圖5～7所示。

圖5 襯砌變形量變化值對比圖

圖6 開裂范圍占比變化值對比圖

圖7 最大裂縫寬度變化值對比圖

通過方案4與方案1、方案5與方案2的計算結果變化值對比圖可以分析得出，其他條件相同時，鋼板厚度從6 mm增大到10 mm后，襯砌變形量整體呈減少趨勢，其中頂拱沉降變形略微減少，邊墻凹陷變形和底板隆起變形明顯減少，邊墻凹陷變形均減少0.3 mm以上，底板隆起變形均減少了0.7 mm以上。開裂范圍占比結果整體呈減少趨勢，底板和邊墻位置的開裂范圍占比均明顯減少，減少值范圍從0.5%至2.5%。最大裂縫寬度也是呈減少趨勢，其中裂縫5寬度減少了0.04 mm，裂縫2寬度減少了0.02 mm，裂縫3寬度減少了約0.15 mm，裂縫1與裂縫4的寬度變化值相對較小。所有結果均是減少趨勢，說明加固效果整體變好。

故由上述計算分析可知，增大鋼板厚度會對粘鋼加固的加固效果造成顯著的有利影響。加固鋼板從6 mm增大到10 mm后，襯砌的變形量、開裂范圍和最大裂縫寬度三個指標都有較大幅度地減少，取得了更好的加固效果。隨著鋼板厚度增大，鋼板整體剛度變大，所承擔的外力荷載也會增大，從而改善了襯砌混凝土不良的受力狀態，能取得更好的加固效果。但增大鋼板厚度會提高加固界面穩定所需的粘結應力，從而導致加固鋼板更易發生剝離破壞。文獻[11]中表述采用手工涂膠粘貼的鋼板厚度不應大于5 mm，采用壓力注膠粘貼的鋼板厚度不應大于10 mm。故建議在膠層粘結能力較強，錨固措施較好的條件下適當提高粘鋼加固鋼板的厚度，以提升加固效果。

2.2.2 鋼板材料強度的影響

將方案2、方案5的加固效果表征量結果作為基準，計算方案1、方案4對應結果的變化值，對比分析由于鋼板材料強度增大對粘鋼加固加固效果的影響。方案2與方案1、方案5與方案4的計算結果變化值對比分析如圖8～10所示。

圖8 襯砌變形量變化值對比圖

圖9 開裂范圍占比變化值對比圖

圖10 最大裂縫寬度變化值對比圖

通過方案2與方案1、方案5與方案4的計算結果變化值對比圖可以分析得出，其他條件相同時，將碳素結構鋼更換為“輕質高強”的合金結構鋼，提升了鋼板材料強度之后，襯砌變形量整體呈減少趨勢，其中頂拱沉降變形減少值很小，邊墻凹陷變形和底板隆起變形減少值較大，邊墻凹陷變形均減少0.1 mm以上，底板隆起變形均減少了0.2 mm以上。開裂范圍占比結果整體呈減少趨勢，但兩組對比結果中邊墻位置的開裂范圍占比存在較大差別。方案5與4對比結果的變化量更大，說明提升鋼板材料強度在鋼板厚度為6 mm條件下的影響更大，在鋼板厚度為10 mm條件下的影響較小。開裂范圍占比減少值范圍從0.7%至3%。最大裂縫寬度也呈減少趨勢，其中裂縫5寬度減少了0.013 mm，裂縫3寬度平均減少了0.007 mm，其他三條裂縫寬度變化值相對較小。所有結果均是減少趨勢，說明加固效果整體變好。

故由上述計算分析可知，改善鋼板的材料性能對粘鋼加固的加固效果有一定程度的有利影響，但對加固效果的提升不如增大鋼板厚度影響大。選用密度更小、彈性模量更大、屈服強度更大的“輕質高強”鋼板材料進行粘鋼加固后，襯砌的變形量、開裂范圍和最大裂縫寬度三個指標在一定程度上都有減少，取得了更好的加固效果。故建議改善鋼板的材料性能，選用“輕質高強”的鋼板材料進行粘鋼加固。

2.2.3 膠層厚度的影響

將方案1、方案5的加固效果表征量結果作為基準，計算方案3、方案6對應結果的變化值，對比分析由于膠層厚度增大對粘鋼加固加固效果的影響。方案1與方案3、方案5與方案6的計算結果變化值對比分析如圖11～13所示。

圖11 襯砌變形量變化值對比圖

圖12 開裂范圍占比變化值對比圖

通過方案1與方案3、方案5與方案6的計算結果變化值對比圖可以分析得出，其他條件相同時，膠層厚度從2 mm增大到4 mm后，襯砌變形量整體呈減少趨勢，其中頂拱沉降變形變化很小，邊墻凹陷變形和底板隆起變形減少值也不大，邊墻凹陷變形減少值在0.05mm以內，底板隆起變形均減少值在0.15mm以內。開裂范圍占比兩組對比結果差異較大。第一組方案1與方案3的對比結果表明開裂范圍占比變大，左邊墻和底板開裂占比增大了1%；第二組方案5與方案6的結果表明開裂范圍占比變小，邊墻開裂占比減少了3%，其他位置減少值很小。這說明增大膠層厚度在鋼板材料強度較小，厚度為6 mm的條件下影響較大，在鋼板材料強度較大，厚度為10 mm的條件下影響很小甚至造成不利影響。最大裂縫寬度變化結果也相似，變化范圍在增大0.005 mm至減少0.005 mm之間。所有結果變化較小，趨勢不完全相同，說明加固效果整體沒有明顯變好。

圖13 最大裂縫寬度變化值對比圖

故由上述計算分析可知，增大膠層厚度對粘鋼加固的加固效果影響很小，襯砌的變形量、開裂范圍和最大裂縫寬度三個指標的值減少不明顯，第一組對比結果還出現了增大的情況。可知，在鋼板材料強度較大，厚度較大的加固條件下，膠層作為襯砌混凝土和粘貼鋼板之間的粘結傳力體，其本身并不能顯著提高加固材料的整體剛度。所以，通過增大膠層厚度來提升粘鋼加固的加固效果是沒有意義的。且如果膠層厚度較大，固化收縮后可能會使得鋼板無法有效地粘貼在襯砌混凝土表面。故為了保證良好的粘結性能，粘鋼加固的膠層厚度較小會更好。

3 結 語

本文結合深圳市東江水源工程年豐6#隧洞的工程實例，對輸水隧洞粘鋼加固的三個主要影響因素進行了數值模擬分析，主要結論如下：通過不同參數組合的6種粘鋼加固方案，以粘鋼加固加固效果評價指標中的襯砌變形量、開裂范圍占比和最大裂縫寬度三個指標作為評價標準，通過有限元建模計算對比分析了鋼板厚度、鋼板材料強度、膠層厚度三個因素對加固效果的影響。結果表明：隨著鋼板厚度增大，鋼板整體剛度變大，能取得更好的加固效果；選用“輕質高強”的鋼板材料，加固效果更好；增大膠層厚度對提升加固效果并無顯著作用。建議在膠層粘結能力較強，錨固措施較好的條件下適當增大鋼板厚度，減小膠層厚度，選用“輕質高強”的鋼板材料。