[发明专利]一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构，属于土木工程领域。

背景技术

在水工结构中，高内压输水隧洞十分常见。高内压输水隧洞如果采用普通钢筋混凝土衬砌，由于内水压力过大，隧洞衬砌管壁混凝土中的拉应力极易超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土产生裂缝，导致内水渗漏，出现围岩稳定问题，极易造成较大经济损失。因此高内压输水隧洞一般采用预应力混凝土衬砌。

高内压输水隧洞预应力衬砌大多采用圆形断面形式。衬砌与围岩联合工作，共同承受围岩压力和其他荷载，以保持隧洞安全和围岩的稳定。预应力混凝土衬砌通过张拉混凝土衬砌内的锚索使衬砌产生预应力，可使衬砌厚度减薄，显著降低工程造价和施工难度、加快施工进度，可以有效弥补混凝土抗拉强度低和延展性能低的缺点。锚具槽是隧洞预应力衬砌结构的薄弱环节，锚具槽会削弱其局部混凝土的刚度，锚具槽附近部位内表面混凝土极易出现较大拉应力区，产生裂缝，导致内水外渗，并有可能产生锚具腐蚀，如果不加以处理，任裂缝发展甚至可能造成锚索失效的重大安全事故。

为了抑制高内压输水隧洞预应力衬砌锚具槽部位裂缝开展导致的安全隐患问题，国内较为成熟的改善加固措施是采用局部粘贴钢板加固衬砌，简称为粘刚加固法。粘钢加固法是用结构胶粘剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构易开裂部位表面，使其具有良好的共同工作性能，能达到加固和增强原结构强度和刚度的目的。粘钢所占空间小，加固方法简单、施工周期短、消耗材料少。粘钢加固部位、范围与强度可视加固设计的构造需要而定，是较为常用的加固技术。但是粘刚加固法存在以下问题：（1）采用粘贴钢板加固钢筋混凝土结构构件，不宜超过3层，且钢板总厚度不宜大于10mm，特殊形状钢板的加工及运输成本高；（2）粘刚加固法适用于环境温度不超过60℃，相对湿度不大于70%及无化学腐蚀的使用环境中，在高压输水隧洞中容易腐蚀生锈，后期维护费用高。碳纤维布加固具有以下粘钢加固法所不具备的优点：（1）施工质量易保证。与粘钢加固法比较，碳纤维布是柔性的，即使被加固的结构表面不是非常平整也可以达到有效的粘贴率；（2）耐腐蚀性和耐久性好。用碳纤维布补强加固预应力钢筋混凝土结构有良好的耐腐蚀性和耐久性，使用这种加固方式对结构进行处理以后，不需要粘钢法所必需的定期防锈维护，可节省大笔的维修费用；（3）施工便捷、功效高、运输方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构，它可以有效抑制高内压输水隧洞预应力衬砌锚具槽部位裂缝的开展，防止出现内水渗漏以及锚索失效问题，有效保证结构受力稳定与运行安全。

本发明采用的技术方案：

一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构，包括钢筋混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌中预埋的预应力锚索、钢筋混凝土衬砌锚具槽上粘贴的碳纤维布和起固定作用的碳纤维销钉。

所述碳纤维布的两端通过碳纤维销钉深入钢筋混凝土衬砌中的孔道，孔道中注入结构胶粘剂，通过结构胶粘剂将碳纤维销钉与钢筋混凝土衬砌粘结在一起。

所述碳纤维销钉露出钢筋混凝土衬砌的头部呈花瓣形，粘贴固定在碳纤维布上，并且在固定区域再粘贴一层碳纤维布。

在上述技术方案的实施过程中，现场现浇预应力钢筋混凝土衬砌，钢筋混凝土衬砌中预埋预应力锚索的张拉孔道以及预设锚具槽，在钢筋混凝土衬砌达到一定的强度等级后进行预应力锚索的张拉和锚固工作，使钢筋混凝土衬砌获得一定的预压应力。

预应力锚索的施工包含预应力锚索的编束、穿孔、张拉、锚固以及张拉孔道和锚具槽的回填灌浆等一系列工序，工艺复杂，施工要求高。

在锚具槽部位粘贴碳纤维布。在粘贴好的碳纤维布两端的钢筋混凝土衬砌上钻有孔道，碳纤维销钉置入孔道中，孔道中注入结构胶粘剂，将碳纤维销钉与钢筋混凝土衬砌粘接在一起，钢筋混凝土衬砌外部露出的碳纤维销钉两端头呈花瓣形展开，与钢筋混凝土衬砌上面粘贴的碳纤维布粘贴固定，固定区域再加贴一层碳纤维布，起到锚固碳纤维销钉头部的作用，以保障碳纤维布与钢筋混凝土衬砌协同工作。

碳纤维布的粘贴层数为一层或数层不等，具体粘贴层数，通过有限元计算确定。

在上述技术方案中，覆盖碳纤维销钉的最外层碳纤维布在粘贴完成后，在其表面刮涂环氧胶泥进行表面防腐保护。

本发明适用于高内水压力输水隧洞预应力衬砌结构。