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。
技术实现要素：
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。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
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。
进一步的，为了增加试验装置的自动化程度，所述试验装置还包括自动控制模块，所有气压表都能够将气压值实时传送给自动控制模块，自动控制模块根据预设试验压力值和气压表的气压值来控制压力泵的启/停和相应阀门的开/关。
进一步的，为了使气囊单体具有足够的强度，所述气囊单体采用多层橡胶叠合而成。气囊单体的主体横截面可以为圆形或扇环形，扇环形更有利于模拟均匀的输水隧洞高内水压。
进一步的，所述内支撑装置包括钢套筒、环向加劲肋板和内撑钢架。所述钢套筒整体为钢板卷制焊接而成的圆筒形构件，其内表面均布等距焊接的环向加劲肋板。所述内撑钢架由若干个型钢交叉焊接而成，所述内撑钢架沿钢套筒纵向等距布置，并与对应位置的每道环向加劲肋板焊接或通过螺栓连接。
进一步的，所述内支撑装置还可以由若干个长条形构件组合而成，如横截面为直角扇形的长条形构件。
基于上述模拟输水隧洞高内水压的试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：
s1、在安装本试验装置前，根据既定的隧洞受力与变形监测方案，确定监测指标（如混凝土表面应变、直径收敛变形量等），在输水隧洞衬砌内表面安装好压力计等，布设好传感器，并调试好数据采集系统；
s2、根据实际输水隧洞的尺寸，制备与隧洞断面相匹配的钢套筒，在钢套筒内表面均布等距焊接的环向加劲肋板。每道环向加劲肋板，通过焊接或螺栓连接的方式对应安装一榀内撑钢架，使得钢套筒、环向加劲肋板与内撑钢架形成抵抗气压反力的整体；
s3、利用简易托架定位钢套筒，满足内支撑装置与隧洞断面的对中要求；同时在钢套筒两端设置限位架，确保试验过程中内支撑装置沿纵向不发生错动；
s4、在输水隧洞衬砌与钢套筒之间，按上下、左右对称的原则布设气囊单体；安装每个气囊单体的独立阀门及气压表；通过分气管路将所有气囊单体与压力泵相连通；通过电路线将压力泵、阀门以及气压表与自动控制设备连接；
s5、按气囊所处标高的不同两两分组，每对气囊单体独立控制其压力量值及每级压力增量，以模拟标高不同引起的内水压梯度差异；设定某目标压力值，启动压力泵，向各气囊单体输气加压；试验过程中，对所有气囊单体逐级升压以实现对高内水压的模拟，加压速率、稳压时间根据具体试验要求确定；
s6、加压过程中观察压力计读数，记录输水隧洞衬砌内表面压力；采集输水隧洞衬砌的应力、变形等数据；待某些监测指标达到预定值时，阀门关闭，结束加压；
s7、阀门开启，通过压力泵进行平稳排气卸压，卸压全过程继续保持对输水隧洞衬砌的应力、变形等数据的采集；卸载降压速率根据具体试验要求确定；
s8、卸载后可重复加卸载流程1~2轮，模拟隧洞服役过程中的充排水循环工况，考察输水隧洞衬砌结构耐久性；
s9、拆卸分气管路，移除各个气囊单体、内撑钢架、钢套筒以及自动控制设备等，结束试验。
本发明的有益效果有：
（1）本发明的模拟输水隧洞高内水压的试验装置，通过气囊单体与内支撑装置的配合，能够最大程度地再现输水隧洞在高内水压下的变形情况与力学响应。本发明可用于原位测试，通过向各个气囊单体内输气加压，使得气囊发生膨胀，将压力传递到与之紧贴的输水隧洞衬砌上，能保证气压无泄漏、均匀、稳定、安全可靠，避免了在施工现场直接注水进行试验带来的施工难度大、过程难以控制、渗漏、密封性难以保证等诸多不便与缺陷。
（2）本发明的试验装置中，通过气囊将均布压力传递到输水隧洞衬砌上，避免了传统方案中采用千斤顶力模拟隧洞高内水压，从而造成隧洞应力集中出现压溃的情况。
（3）本发明的试验装置中，气囊单体为多层橡胶叠合制成，能在保证装置不易划破/刺破、密封性好、传荷均匀的前提下，实现2.0mpa以上高压的模拟；而现有技术方案中，如“模拟隧洞内水压力的试验装置及方法[p].北京：cn106353120a,2017-01-25.”因加载系统接头过多、气密性差、材料强度难以保证等原因，难以承受2.0mpa以上的高压。
（4）本发明采用“钢套筒+内撑钢架”作为内支撑装置提供反力，制作工艺简单，装置整体轻便，易于运输、吊装实施且安全可靠；而现有技术方案中，如“模拟隧洞内水压力的试验装置及方法[p].北京：cn106353120a,2017-01-25.”的采用现浇素混凝土作为反力机构，对环形混凝土的支模工艺、养护条件等要求过高，从而使得该装置过于笨重、冗余，操作复杂，可实施性差，且只能一次性使用。
（5）本发明中，气囊单体的数量可灵活变换，内撑钢架中各个型钢的长度也可伸缩调整，因此可应用于不同断面形状及尺寸的原型或模型隧洞结构；且气囊单体可多次重复利用。
附图说明
图1为本发明试验装置的整体结构纵剖面示意图；
图2为实施例1中a-a剖面示意图；
图3为实施例2中a-a剖面示意图；
图4为长条形直角扇形构件示意图。
其中，1-输水隧洞衬砌，2-气囊单体，3-内支撑装置，31-钢套筒，32-环向加劲肋板，33-内撑钢架，34-长条形构件，6-分气管路，7-阀门，8-气压表，9-压力泵，10-自动控制模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例1
如图1-2所示，本发明的一种具体实施方式为，一种模拟输水隧洞高内水压的试验装置，包括18个气囊单体2、一台压力泵9、分气管路6、阀门7、气压表8、自动控制模块10以及内支撑装置3；18个气囊单体2相互独立但互相接触，环向紧贴布置于输水隧洞衬砌1内表面，每个气囊单体2单独配备阀门7及气压表8，并通过分气管路6与压力泵9相连，所述内支撑装置3与输水隧洞衬砌1之间均匀布满气囊单体2。
内支撑装置3包括钢套筒31、环向加劲肋板32和内撑钢架33；钢套筒31置于输水隧洞衬砌1内部，钢套筒31外侧与输水隧洞衬砌1内表面有一定间距，在钢套筒31与输水隧洞衬砌1之间均匀布满18个气囊单体2。内撑钢架33置于钢套筒31内部，两者固接以保证整体刚度。
所述输水隧洞衬砌1为外径6000mm、内径5400mm的盾构单层衬砌结构。为满足试验所需的径长比，隧洞沿纵向长36m。
所述气囊单体2采用特制多层橡胶叠合而成，长度36m，直径1m，均匀布满于钢套筒31与输水隧洞衬砌1之间。
所述压力泵9能根据设定的压力值自动启停，同时具有输送气加压与抽排气卸压两功能；所述阀门7能根据气压的变化自动开启与关闭；所述气压表8为数字气压表，能实时反映气压的变化；所述压力泵9、阀门7、气压表8均通过电路线与自动控制设备10相连接。
所述钢套筒31为总长36m，内径1700mm的筒体，壁厚30mm，共分为6节，每节6m；其中，每节筒体由四块长条形直角扇形q345c钢板卷制焊接拼装而成，最后各节筒体焊接成整体；钢套筒31表面均布等距焊接的q345c环向加劲肋板32，以增强钢套筒31整体刚度。其中，环向加劲肋板32环高200mm，厚度30mm，沿隧洞纵向间距1m均匀分布。
所述内撑钢架33由八根型钢［20b间隔45°交叉焊接成环状整体，并与对应位置的每道环向加劲肋板焊接或通过螺栓连接。
本实施例的模拟输水隧洞高内水压的试验装置的操控方法，包括以下步骤：
s1、在安装本试验装置前，根据既定的隧洞受力与变形监测方案，确定监测指标（如混凝土表面应变、直径收敛变形量等），在输水隧洞衬砌内表面安装好压力计等，布设好传感器，并调试好数据采集系统；
s2、在隧洞内部分节制备钢套筒31，在其表面每间隔1m焊接一道环向加劲肋板32，以增强钢套筒31整体刚度。每道环向加劲肋板32，通过焊接或螺栓连接的方式对应安装一榀内撑钢架33，使得钢套筒31、环向加劲肋板32与内撑钢架33形成抵抗气压反力的整体；
s3、利用简易托架定位钢套筒31，满足内支撑装置3与隧洞断面的对中要求；同时在钢套筒31两端设置限位架，确保试验过程中内支撑装置3沿纵向不发生错动；
s4、在输水隧洞衬砌1与钢套筒31之间，按上下、左右对称的原则布设气囊单体2；安装每个气囊单体2的独立阀门7及气压表8；通过分气管路6将所有气囊单体2与压力泵9相连通；通过电路线将压力泵9、阀门7以及气压表8与自动控制设备10连接；
s5、按气囊单体2所处标高的不同两两分组，每对气囊单体2独立控制其压力量值及每级压力增量，以模拟标高不同引起的内水压梯度差异；设置目标内水压为1.0mpa，启动压力泵9，向各气囊单体2输气加压；内压加载按每级0.05mpa增量逐级给气囊单体2加压，加压速度不大于0.05mpa/min，内压每增加0.05mpa后阀门自动关闭进行稳压，30min后阀门自动开启继续加压；
s6、加压过程中观察压力计读数，记录输水隧洞衬砌1内表面压力；采集输水隧洞衬砌1的应力、变形等数据，待隧洞管片衬砌接头张开量达到2mm，或输水隧洞衬砌1的接头螺栓应力达到300mpa，结束加压；
s7、开启各个阀门7，通过压力泵9进行平稳排气卸压，卸压全过程继续保持对输水隧洞衬砌1的应力、变形等数据的采集；卸载降压速率卸载减压速度不大于0.05mpa/min；
s8、卸载后可重复加卸载流程1~2轮，模拟隧洞服役过程中的充排水循环工况，考察输水隧洞衬砌结构耐久性。
s9、拆卸分气管路6，移除各个气囊单体2、内撑钢架33、钢套筒31以及自动控制设备10等，结束试验。
实施例2
如图3所示，与实施例1相比，本实施例的不同之处在于气囊单体2为的主体横截面为扇环形，从而使得输水隧洞衬砌1的受力更加均匀，从而使模拟的内水压力更符合实际情况。
实施例3
如图4所示，与实施例1相比，本实施例的不同之处在于本实施例的内支撑装置3由横截面为直角扇形的长条形构件34组合而成，从而便于整个试验装置的搬迁。由四个直角扇形的长条形构件34即可构成一个圆柱形支撑装置，构成36m的内支撑装置则需要24个长度为6m的直角扇形的长条形构件34。当然，长条形构件34的长度也可以为4m或其它尺寸。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，都属于本发明专利的保护范围。