[发明专利]一种模拟输水隧洞高内水压的试验装置

说明书

本发明公开了一种模拟输水隧洞高内水压的试验装置，包括内支撑装置和压力泵，所述内支撑装置整体呈圆柱形，其特征在于：所述试验装置包括若干个长条形气囊单体，每个气囊单体单独配备阀门及气压表，并通过分气管路与压力泵相连，所述内支撑装置外侧均匀布满气囊单体。本发明能够在配合已有的输水隧洞受力与变形监测系统下，确定输水隧洞在充水运营期间的变形特性与力学响应，为输水隧洞的结构设计和施工提供科学可靠的实验依据，确保其在服役阶段的安全性与耐久性。

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种模拟输水隧洞高内水压的试验装置。

背景技术

近年来国家大力建设输水工程，如南水北调工程等。输水隧洞作为输水工程的重要组成部分，不同于交通隧道，在承受外部高水土荷载作用的同时，还要承受内部高水压力。输水隧洞内部高水压力会使隧洞发生膨胀变形，从而使得衬砌结构处于受拉状态；当内水压力达到一定程度，将使得输水隧洞结构开裂甚至发生失稳破坏。因此，为探究输水隧洞在高内水压作用下的变形特性与力学响应，确保其在服役阶段的安全性与耐久性，需进行输水隧洞内水压力原位测试。

输水隧洞内水压的模拟，传统方案主要有以下两种：一种是沿隧洞衬砌内表面环向均匀间隔布置若干传力垫块，然后在每一个垫块上用千斤顶均匀逐级加载，以此来模拟隧洞的内水压力。该方法简单方便，但缺点是：（1）多个千斤顶难以做到精确定位且各千斤顶的顶推力难以保持一致，稍有偏差就会造成加载不均匀；（2）通过传力垫块把千斤顶力传到隧洞衬砌上，容易造成应力集中从而使衬砌出现局部压溃，不符合衬砌实际受力状态。另一种方法是，在施工现场直接在隧洞内注水加压。该方法可以完全再现隧洞在充水状态下的受力状态，缺点是：（1）难以保证高压下整个试验区段的密封性，假若密封不到位容易发生渗漏水，无法达到指定压力；（2）试验用水量巨大，其输送、持续供给及相应配套设施都将大幅度增加试验难度和耗资。

为此，人们提出了两种输水隧洞内水压力模拟方案：

郭瑞等人（一种用于输水隧洞结构模型试验的内水压加载装置[P]. 四川：CN107121342A,2017-09-01.）提出的试验方案中，采用外侧橡胶壁、内侧不锈钢壁、和上下两端的不锈钢法兰环，构成连续密封的整体圆柱状气囊。通过对圆柱状气囊加气来模拟内水压，并应用在输水隧洞模型试验中。这种方法制作简便，但存在以下不足：（1）现有橡胶拼接工艺使其尺寸受到严格限制，仅能用于小断面隧洞的模型试验，难以应用于大断面隧洞的原型试验；（2）对外侧橡胶壁的整体性要求高，试验过程中若稍有不慎划破橡胶壁，则整个装置即不能工作。

汪小刚等人（模拟隧洞内水压力的试验装置及方法[P]. 北京：CN106353120A,2017-01-25.）提出的试验方案中，采用荷载加载机构、监测系统、反力机构共同组成模拟隧洞内水压力的试验装置。其中荷载加载机构是由多个柔性容器（由薄钢板焊接而成的扁平形中空囊体）两两通过管道连接，再把流体（水或水泥浆）灌入各个柔性容器中，利用液体压力产生的径向位移对衬砌层施加压力。这张方法仍存在以下不足：（1）该发明的加载系统中的柔性容器是通过管道两两相连的，这使得连接接口过多，而目前输水隧洞的实际内水压往往高达2.0MPa以上，在符合真实的受力状况下，柔性容器的抗拉性能以及两柔性容器间连接接口的可靠性不易保证；（2）该发明的反力机构为素混凝土现浇而成，此过程需要支模、养护等繁琐工序，且对于大断面原型隧洞，现浇反力机构体积必然过大，从而使得整个装置过于笨重，安装与拆卸不便；（3）为满足纵向边界条件，一般试验中输水隧洞的长度应该为直径的5~6倍，这样使得该发明的柔性容器的数量增多，容器之间的接口密封性更难保证，从而使得整个试验装置可实施性不强。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模拟输水隧洞高内水压的试验装置，该装置可用于输水隧洞的原位测试，也可用于在室内的模型试验。该装置能够在配合已有的输水隧洞受力与变形监测系统下，确定输水隧洞在充水运营期间的变形特性与力学响应，为输水隧洞的结构设计和施工提供科学可靠的实验依据，确保其在服役阶段的安全性与耐久性。