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(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

近年來(lái)，為了解決地區(qū)間水資源分布不均的問(wèn)題，我國(guó)的跨流域引調(diào)水工程建設(shè)發(fā)展迅速。越來(lái)越多的輸水隧洞投入運(yùn)營(yíng)使用。但由于運(yùn)行期受力環(huán)境的變化以及結(jié)構(gòu)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(huì)出現(xiàn)掉塊、開(kāi)裂、滲漏等各種病害[1]。這些病害的存在會(huì)導(dǎo)致輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性和耐久性，部分病害的持續(xù)發(fā)展甚至可能會(huì)引起隧洞坍塌等重大安全事故。因此，需要適時(shí)對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)采取合適的補(bǔ)強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)在水工輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如花涼亭水庫(kù)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(guān)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(guān)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(qiáng)度、膠層厚度及粘結(jié)性能等。而水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)與混凝土梁結(jié)構(gòu)存在較大差別，其區(qū)別主要在于水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的荷載、結(jié)構(gòu)與材料本構(gòu)關(guān)系更加復(fù)雜，開(kāi)展試驗(yàn)研究更加困難。現(xiàn)有的水工隧洞粘鋼加固工作主要依據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展，缺乏對(duì)加固效果影響因素及主要技術(shù)參數(shù)選擇的系統(tǒng)分析，其理論性有待進(jìn)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(kāi)展相應(yīng)的有限元數(shù)值模擬研究，分析水工隧洞粘鋼加固影響因素，對(duì)優(yōu)化加固方案、提升加固效果具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[10]，以期給相關(guān)工程提供參考。

1 有限元建模

本計(jì)算模型范圍取為以隧洞底板中心為原點(diǎn)，采用笛卡爾坐標(biāo)系，上至頂部，下、左、右各25 m，沿水流方向長(zhǎng)度取5 m。對(duì)模型底部施加全約束，左右面及前后面施加法向約束。計(jì)算考慮的荷載包括重力、內(nèi)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(guān)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(guān)系圖

2 主要影響因素及計(jì)算分析

2.1 加固方案設(shè)計(jì)

為分析粘鋼加固主要影響因素對(duì)加固效果的影響，依據(jù)工程資料并參考相關(guān)案例，設(shè)計(jì)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(shè)置情況如表1所述。

表1 粘鋼加固方案 mm

為得到各個(gè)因素對(duì)加固效果影響的結(jié)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(jìn)行對(duì)比；就鋼板材料，選取方案2與1、方案5與4進(jìn)行對(duì)比；就膠層厚度，選取方案1與3、方案5與6進(jìn)行對(duì)比。

2.2 計(jì)算結(jié)果及處理

以下是通過(guò)有限元模擬計(jì)算得到不同加固方案的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)特征量，如圖3所示。它們是對(duì)應(yīng)位置在變形前后所產(chǎn)生的最大位移差值。變形量結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖3 特征變形量示意圖

表2 變形結(jié)果統(tǒng)計(jì) mm

2)襯砌開(kāi)裂范圍。在襯砌各部分的單元?jiǎng)澐殖叽缦嗤臈l件下，統(tǒng)計(jì)開(kāi)裂單元的位置和數(shù)量即可定性分析開(kāi)裂位置并定量分析開(kāi)裂范圍的體積。開(kāi)裂單元數(shù)量除以襯砌某部分的單元總數(shù)量即為開(kāi)裂范圍占比，再乘以該部分的體積即為開(kāi)裂范圍的體積。根據(jù)隧洞劃分尺寸可計(jì)算出各部分的體積。該計(jì)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(kāi)裂范圍的結(jié)果如表3所示。

表3 開(kāi)裂范圍計(jì)算結(jié)果(0.6 MPa外水壓力條件下)

根據(jù)襯砌開(kāi)裂結(jié)果及模型的對(duì)稱性，取5條主要代表性裂縫，位置分別是頂拱外側(cè)起拱處、邊墻內(nèi)側(cè)中部、邊墻外側(cè)底部、底板外側(cè)端部和底板內(nèi)側(cè)中部，如圖4所示。

圖4 裂縫位置圖

本文選取襯砌變形量、開(kāi)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jié)果作為基準(zhǔn)，計(jì)算方案1、方案2對(duì)應(yīng)結(jié)果的變化值，對(duì)比分析由于鋼板厚度增大對(duì)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(jì)算結(jié)果變化值對(duì)比分析如圖5～7所示。

圖5 襯砌變形量變化值對(duì)比圖

圖6 開(kāi)裂范圍占比變化值對(duì)比圖

圖7 最大裂縫寬度變化值對(duì)比圖

通過(guò)方案4與方案1、方案5與方案2的計(jì)算結(jié)果變化值對(duì)比圖可以分析得出，其他條件相同時(shí)，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(shì)，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(kāi)裂范圍占比結(jié)果整體呈減少趨勢(shì)，底板和邊墻位置的開(kāi)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(shì)，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(duì)較小。所有結(jié)果均是減少趨勢(shì)，說(shuō)明加固效果整體變好。

故由上述計(jì)算分析可知，增大鋼板厚度會(huì)對(duì)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(kāi)裂范圍和最大裂縫寬度三個(gè)指標(biāo)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(dān)的外力荷載也會(huì)增大，從而改善了襯砌混凝土不良的受力狀態(tài)，能取得更好的加固效果。但增大鋼板厚度會(huì)提高加固界面穩(wěn)定所需的粘結(jié)應(yīng)力，從而導(dǎo)致加固鋼板更易發(fā)生剝離破壞。文獻(xiàn)[11]中表述采用手工涂膠粘貼的鋼板厚度不應(yīng)大于5 mm，采用壓力注膠粘貼的鋼板厚度不應(yīng)大于10 mm。故建議在膠層粘結(jié)能力較強(qiáng)，錨固措施較好的條件下適當(dāng)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(qiáng)度的影響

將方案2、方案5的加固效果表征量結(jié)果作為基準(zhǔn)，計(jì)算方案1、方案4對(duì)應(yīng)結(jié)果的變化值，對(duì)比分析由于鋼板材料強(qiáng)度增大對(duì)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(jì)算結(jié)果變化值對(duì)比分析如圖8～10所示。

圖8 襯砌變形量變化值對(duì)比圖

圖9 開(kāi)裂范圍占比變化值對(duì)比圖

圖10 最大裂縫寬度變化值對(duì)比圖

通過(guò)方案2與方案1、方案5與方案4的計(jì)算結(jié)果變化值對(duì)比圖可以分析得出，其他條件相同時(shí)，將碳素結(jié)構(gòu)鋼更換為“輕質(zhì)高強(qiáng)”的合金結(jié)構(gòu)鋼，提升了鋼板材料強(qiáng)度之后，襯砌變形量整體呈減少趨勢(shì)，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(kāi)裂范圍占比結(jié)果整體呈減少趨勢(shì)，但兩組對(duì)比結(jié)果中邊墻位置的開(kāi)裂范圍占比存在較大差別。方案5與4對(duì)比結(jié)果的變化量更大，說(shuō)明提升鋼板材料強(qiáng)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(kāi)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(shì)，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(duì)較小。所有結(jié)果均是減少趨勢(shì)，說(shuō)明加固效果整體變好。

故由上述計(jì)算分析可知，改善鋼板的材料性能對(duì)粘鋼加固的加固效果有一定程度的有利影響，但對(duì)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(qiáng)度更大的“輕質(zhì)高強(qiáng)”鋼板材料進(jìn)行粘鋼加固后，襯砌的變形量、開(kāi)裂范圍和最大裂縫寬度三個(gè)指標(biāo)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(zhì)高強(qiáng)”的鋼板材料進(jìn)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(jié)果作為基準(zhǔn)，計(jì)算方案3、方案6對(duì)應(yīng)結(jié)果的變化值，對(duì)比分析由于膠層厚度增大對(duì)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(jì)算結(jié)果變化值對(duì)比分析如圖11～13所示。

圖11 襯砌變形量變化值對(duì)比圖

圖12 開(kāi)裂范圍占比變化值對(duì)比圖

通過(guò)方案1與方案3、方案5與方案6的計(jì)算結(jié)果變化值對(duì)比圖可以分析得出，其他條件相同時(shí)，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(shì)，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(nèi)，底板隆起變形均減少值在0.15mm以內(nèi)。開(kāi)裂范圍占比兩組對(duì)比結(jié)果差異較大。第一組方案1與方案3的對(duì)比結(jié)果表明開(kāi)裂范圍占比變大，左邊墻和底板開(kāi)裂占比增大了1%；第二組方案5與方案6的結(jié)果表明開(kāi)裂范圍占比變小，邊墻開(kāi)裂占比減少了3%，其他位置減少值很小。這說(shuō)明增大膠層厚度在鋼板材料強(qiáng)度較小，厚度為6 mm的條件下影響較大，在鋼板材料強(qiáng)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(jié)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(jié)果變化較小，趨勢(shì)不完全相同，說(shuō)明加固效果整體沒(méi)有明顯變好。

圖13 最大裂縫寬度變化值對(duì)比圖

故由上述計(jì)算分析可知，增大膠層厚度對(duì)粘鋼加固的加固效果影響很小，襯砌的變形量、開(kāi)裂范圍和最大裂縫寬度三個(gè)指標(biāo)的值減少不明顯，第一組對(duì)比結(jié)果還出現(xiàn)了增大的情況?？芍?，在鋼板材料強(qiáng)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(jié)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(guò)增大膠層厚度來(lái)提升粘鋼加固的加固效果是沒(méi)有意義的。且如果膠層厚度較大，固化收縮后可能會(huì)使得鋼板無(wú)法有效地粘貼在襯砌混凝土表面。故為了保證良好的粘結(jié)性能，粘鋼加固的膠層厚度較小會(huì)更好。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合深圳市東江水源工程年豐6#隧洞的工程實(shí)例，對(duì)輸水隧洞粘鋼加固的三個(gè)主要影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，主要結(jié)論如下：通過(guò)不同參數(shù)組合的6種粘鋼加固方案，以粘鋼加固加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)中的襯砌變形量、開(kāi)裂范圍占比和最大裂縫寬度三個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)有限元建模計(jì)算對(duì)比分析了鋼板厚度、鋼板材料強(qiáng)度、膠層厚度三個(gè)因素對(duì)加固效果的影響。結(jié)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(zhì)高強(qiáng)”的鋼板材料，加固效果更好；增大膠層厚度對(duì)提升加固效果并無(wú)顯著作用。建議在膠層粘結(jié)能力較強(qiáng)，錨固措施較好的條件下適當(dāng)增大鋼板厚度，減小膠層厚度，選用“輕質(zhì)高強(qiáng)”的鋼板材料。