[发明专利]一种混凝土衬砌预压力测定试验装置及其试验方法

说明书

本发明公开了一种混凝土衬砌预压力测定试验装置的试验方法，包括：围岩及衬砌模拟系统、灌浆系统和量测系统；围岩及衬砌模拟系统用于模拟隧洞围岩灌浆圈和灌浆圈外的岩体、混凝土衬砌；灌浆系统用于将浆液灌入围岩灌浆圈；量测系统用于测量围岩及衬砌模拟系统试验的预压力、灌浆量和排水量。本发明的优点是：(1)本发明采用室内试验的方法确定混凝土衬砌预压力最大值，可获取随时间的变化规律，通过计算分析能够定量确定试验期外不同运行时间点的预压力值。(2)与目前常用的数值分析、工程类比方法相比，试验代表性好、成本低，可针对不同的条件开展多条件、多工况模拟。(3)试验成果对隧洞混凝土衬砌设计提供直接参考。

技术领域

本发明涉及隧洞及地下工程技术领域，特别涉及一种可广泛应用于输水隧洞的灌浆试验装置及其试验方法，尤其是有压输水隧洞，以测定灌浆圈内围岩水泥灌浆引起的混凝土衬砌预压力，并可分析其长时间变化规律。

背景技术

有压输水隧洞广泛应用于水电站、引调水工程中，混凝土衬砌是其主要支护方式。长期运行过程中，内水压力直接作用于混凝土衬砌内壁，停水检修时隧洞内水压力消失，灌浆圈内围岩的水压力作用于混凝土衬砌外壁，由于长时间的隧洞内水向外渗透，水压力大小与运行过程中隧洞内水压力大致相当，作用方向相反，衬砌内壁产生拉应力，大多数情况混凝土衬砌开裂不可避免，尤其是在较高的输水压力作用下。灌浆一方面可起到加固围岩、提高围岩承载力和减少渗漏的作用，另一方面可对衬砌形成预压力，提高衬砌抵抗变形和破坏的能力，限制衬砌裂缝的产生和发展，得到了广泛的应用。

限于现阶段岩石力学的研究水平，衬砌限裂、隧洞围岩渗透稳定设计和研究还处于半经验半理论的水平，不少问题尚有待研究解决，如：(1)裂隙岩体灌浆对衬砌产生的峰值预压力发生时间及其数值难以确定，对隧洞混凝土衬砌设计造成了困扰；(2)灌浆对衬砌产生的预压力衰减规律及最终稳定作用值无成熟设计方法，目前多采用经验系数确定，但实际工程中受围岩特性等因素影响预压力长期保留比例(长期保留比例为长期预压力与峰值预压力的比值)离散较大(广州抽水蓄能电站、惠州抽水蓄能电站设计时预压力长期保留比例取值为0.1，白山水电站监测资料显示约为0.6)；(3)由于灌浆引起的衬砌预压力难以确定，用其提高衬砌抵抗变形和破坏能力时，适宜的灌浆压力很难确定，灌浆压力较低时，难以达到混凝土衬砌预压效果；灌浆压力较高时，施工难度加大、成本提高，且可能对围岩或衬砌造成破坏。

目前通过数值分析、工程类比等方法确定隧洞围岩水泥灌浆引起的混凝土衬砌预压力，重要工程也选取典型洞段开展现场试验，但现场试验周期长、成本高，只能选择少量的典型洞段开展，无法针对性地开展研究，代表性受限。研发一种隧洞围岩水泥灌浆引起的混凝土衬砌预压力测定试验装置及其试验方法对于推动隧洞混凝土衬砌、围岩灌浆设计改进具有重大意义。

与本发明相关的现有技术一

中国实用新型专利“一种岩石基础灌浆试验装置”(申请号CN201820289023.2)在混凝土试块内预留裂隙和注浆通道，并设透明观察板，能够模拟岩石基础的灌浆扩散，解决了教学中学生对浆液扩散缺乏直观的认识的问题。

现有技术一的缺点

(1)试验模型较为简单，不能对工程实际问题进行针对性的模拟；

(2)针对隧洞灌浆关心的衬砌预压作用问题，不能进行测定分析。

与本发明相关的现有技术二

中国实用新型专利“一种注浆堵漏模拟试验装置”(申请号CN201721498102.6)通过带加载系统的试验箱模拟了不同的地应力条件，采用煤粉渗透率的变化分析灌浆效果。

现有技术二的缺点

(1)该试验主要针对瓦斯突出、裂隙漏风等情况；

(2)未能反映待灌浆岩体的裂隙特性，而待灌岩体裂隙特性是影响水泥浆液可灌性、衬砌预压力消散规律的主要因素；