[发明专利]一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统

说明书

本发明公开了一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统，所述系统包括钢套筒和封堵端盖，试验钢管通过封堵端盖与钢套筒紧密连接，内部形成腔体，钢套筒上设有注水口和排水口，注水口通过进水管与增压泵相连，增压泵受增压控制设备控制，在试验钢管内壁安装变形监测传感器，变形监测传感器的数据线引出至数据采集系统；其特征在于：所述测试系统包括支墩，钢套筒水平地放置于支墩上，所述钢套筒内壁的下半部分设有用于承托试验钢管的托轮。本发明可实现在无需进行现场测试，且兼顾安全性与真实性的前提下，确定内衬钢管临界屈曲外水压，满足输水隧洞内衬钢管的优化设计需要。

技术领域

本发明属于建筑技术领域，具体涉及一种输水隧洞内衬钢管抗外压性能的测试系统。

背景技术

输水隧洞是在岩（土）体中施作的一种地下结构体系，是引水调水工程中的一个重要组成部分，目前常采用多层衬砌，一般来说，包括：外衬如喷射混凝土、管片等；内衬如钢管、PVC管等；填充于外衬和内衬之间的钢筋混凝土、自密实混凝土等。在输水隧洞长期服役期间，外衬及填充层开裂，将引起外部岩（土）体地下水向内渗至内衬钢管的外壁，使外水压力直接作用在内衬钢管上，容易导致内衬钢管发生屈曲变形甚至稳定破坏，从而影响输水隧洞的结构安全和正常使用。因此，试验钢管的抗外压性能是保证输水隧洞结构安全和正常使用的一个重要指标，正确评判和发挥试验钢管的抗外压性能是提高其结构安全系数和使用年限的关键。随着我国输水隧洞工程建设规模的迅速扩大，试验钢管的抗外压稳定问题已得到越来越多研究人员的重视。

试验钢管的抗外压性能与其尺寸、初始缺陷、残余应力等关系密切。不同外水压力作用下，试验钢管的屈曲稳定模式也存在差异。

目前考察钢管应对外水压的抗屈曲性能普遍采用的是模型试验手段，如：

李佛炎等人（从乌江电站坝内钢管外压失稳模型试验看埋藏式光面管和锚环加筋管外压稳定设计的若干问题[J].水电机电安装技术, 1979, (01):59-68）提出了一种试验装置，其主要组成有如下几个部分：模型钢管、外套管、外套管与模型钢管之间的混凝土、混凝土内的配压通水管、最外一圈是压力筒（在压力筒与套筒之间有一空间为充水稳压的压力室）、上下封口盖环、量测机构、压力泵与压力表等。模型试件几何相似比为1：4.4，内径1.2m、长2m、壁厚4.5mm，对应于内径5.5m、壁厚20mm的实际钢管。

谭一中等人（水电站埋藏式钢管外压失稳的试验研究[J].水力发电学报, 1985,(03):47-58）提出的试验方案为采用相似比为1：7的缩尺钢管，内径1m、长2.1m，壁厚有2.5mm和4.5mm两种。试验装置分为两层钢管，内外管之间形成0.2m厚的空腔（腔内回填混凝土），内外管的两端先后用22mm厚的16#锰钢环形堵头焊封，装置直立放置，在环形堵头以90°间隔分设4个进水管，用以施加外水压力。

龚顺风等人（高静水压力作用下深海油气管道的局部屈曲[J].浙江大学学报(工学版), 2012, 46(01):14-19）提出的试验方案，采用在密闭的的压力缸中，以水为介质，对钢管试件施加径向均匀外部压力的方式来模拟深海环境，压力缸内径为80mm，高300mm；试验钢管采用SS316不锈钢钢管，两端加上带密封圈的堵头制作而成，钢管直径分为10.62mm、11.12mm和11.42mm，对应壁厚为0.50mm、0.56mm和0.51mm。

以上所述的模型试验方案虽然操作较为简易，但存在以下缺陷：（1）模型试验对象为按几何相似比制备的缩尺钢管，受尺寸效应和边界效应的影响显著，尤其是长径比（试件长度与直径之比）偏小，导致模型试验结果与原型钢管的真实抗屈曲能力存在差异。（2）装置均为立式加载，试验钢管所受外水压简化为均匀径向分布，与实际外水压存在竖向梯度的分布模式不符。现有模型试验方案均针对于小直径钢管，顶底水压差的影响尚不突出，但是对于目前愈发常见的复杂地层条件下承受高外水压的大直径薄壁钢管，简化外水压分布模式引起的试验结果失真不容忽视。