一种模拟高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗的试验装置及方法与流程

本发明涉及水利水电工程技术领域，具体地，涉及一种用于模拟高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗的试验装置及方法。

背景技术：

水工隧洞是水电站的重要建筑物，钢筋混凝土衬砌由于经济性及施工相对方便而被大量采用。在高内水压力作用下，钢筋混凝土衬砌不可避免会开裂进而形成内水外渗，而当开裂与渗漏发展到一定程度之后将会影响到隧洞的正常使用，甚至对工程安全造成威胁，因此，高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗问题的研究具有重大工程意义。

目前关于高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗问题的研究，主要的试验方法为室内缩尺模型试验和现场压水试验。其中，现场压水试验主要验证设计内水压力作用下隧洞围岩是否发生水力劈裂和高压渗水，其试验成本较高，试验周期较长，且由于现场条件复杂，测得的数据一般较为离散。室内缩尺模型试验一般采用钢毂或气囊的加载方式，不能反映钢筋混凝土衬砌开裂及内水外渗的影响，与衬砌结构真实工作特性不符，同时，也存在试验周期长，模型制作困难的不足。目前关于高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗问题的研究仍较为不足，缺乏必要的试验装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种模拟高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗的试验装置及方法，用于研究高内水压力作用下水工隧洞衬砌水-力耦合特性及内水外渗行为，为高水头水工隧洞钢筋混凝土衬砌设计提供理论支撑。

为了实现上述目的，本发明涉及的试验装置和试验方法是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种模拟高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗的试验装置，包括衬砌模型试验系统、内水压力加载系统及量测系统。其中，所述衬砌模型试验系统用于放置不同的衬砌模型试样并模拟其在高内水压力作用下的力学和渗流行为；所述内水压力加载系统用于模拟水工隧洞充水加载过程中逐步增加的内水压力；所述量测系统用于对试验过程中衬砌的变形、开裂、渗透性进行量测。

具体的，所述衬砌模型试验系统包括底座、透明中空压力容器、顶板、排气阀、螺杆以及外水注水管。其中，所述透明中空压力容器由内、外两个透明筒体构成，筒体外壁均采用高强度透明有机玻璃，放置于所述底座上，混凝土衬砌模型放置在透明中空压力容器内；所述顶板用于固定混凝土衬砌模型，并作为所述透明中空压力容器的顶盖；所述排气阀设置在顶板上用于透明中空压力容器注水时内部气体的排放；所述螺杆位于透明中空压力容器外部，用于固定所述顶板；所述外水注水管连接至顶板，出水口伸入所述透明中空压力容器内，用于为透明中空容器注满水。

具体的，所述内水压力加载系统包括高压气罐、高压水箱、压力表、控制阀以及高压软管。其中，所述高压气罐通过管路连接至所述高压水箱，高压气罐用于为高压水箱提供压力；所述压力表与所述控制阀设置于所述管路上，用于控制高压水箱内的气压加载；所述高压软管从高压水箱底部连接至压力室顶部，末端伸入混凝土衬砌模型内部。

具体的，所述量测系统包括外室高压油管、自动压力阀、压力表、储水桶、外激光位移传感器、内激光位移传感器、数据采集器、计算机、高清数码相机。其中，所述外室高压油管从混凝土衬砌模型外部经顶板连接至所述储水桶，所述储水桶用于收集混凝土衬砌模型开裂后渗出的内水；所述压力阀与所述压力表设置于所述外室高压油管上，用于分离混凝土衬砌模型外渗的内水；所述外激光位移传感器设置于底座上，所述内激光位移传感器伸入透明中空压力容器的中空部，内、外激光位移传感器均通过数据线连接至所述数据采集器并将数据传输至所述计算机，以此观测与记录混凝土衬砌模型在高内水压力下的内、外部观测点的应变；所述高清数码相机架设在衬砌模型试验系统外同等高度上，用于精确观测记录混凝土衬砌模型的外部变形。

根据本发明的第二个方面，提供了一种上述用于研究不同钢筋混凝土衬砌设计方案下水工隧洞衬砌水-力耦合特性及内水外渗行为的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、根据试验目的制作相应尺寸的混凝土衬砌模型，在混凝土外部用油性笔划分单元格，处理完毕后将混凝土衬砌模型放置透明中空压力容器内，盖上顶板并固定，将内激光位移传感器伸入透明中空压力容器的中空部并固定。

步骤二、将透明中空压力容器内混凝土衬砌模型外部注满水，设置压力阀阈值，通过控制内水压力加载系统加压，使混凝土衬砌内部充满水。启动高清数码相机、激光位移传感器、数据采集器以及计算机，各监测部件通电就绪。

步骤三、通过控制阀调节和压力表监测，控制内水压力加载系统的高压气罐加载内水压力至设定的内水压力。

步骤四、内水压力加载至预设值后，记录外室高压油管上压力表读数与储水桶收集水量，分析计算外室水压与内水外渗流量；数据采集器与计算机实时记录混凝土衬砌模型内、外变形，并绘制应变-荷载曲线；高清数码相机每隔一定时间对混凝土衬砌模型进行拍摄，通过比对所拍摄的高清照片中观测点所在像素格的位移，计算分析混凝土衬砌模型在试验过程中的整体与局部变形。

步骤五、通过监测到的内室、外室水压及内水外渗流量，计算衬砌的渗透系数；通过应变-荷载曲线与高清照片比对结果计算衬砌的平均应变与平均裂缝宽度。

步骤六、通过控制阀调节和压力表监测，将内室压力增加至下一级荷载水平，重复步骤四到五。

步骤七、整理不同内室水压水平下的试验结果，获得不同内水压力作用下高压隧洞衬砌的内水外渗行为特征。

本发明的工作原理为：

将混凝土衬砌试样放置在透明中空压力容器内，衬砌内、外部均注满水，由高压气罐向水箱内空气加压进而将衬砌内部的水加压，以此提供试样内部的高水压。高压水经混凝土衬砌模型试样顶部进入试样内部，混凝土衬砌模型试样在高内水压的作用下开裂，发生内水外渗，渗流出水使得透明中空压力容器外室水压上升。在外室高压油管上设置自动压力阀，当外室压力超过预先设定的压力阀阈值时自动出水卸压，进而将外室压力维持在预先设定的压力阀阈值。通过不同内室压力、外室压力、衬砌模型下内水外渗流量、衬砌变形与开裂监测，研究水工隧洞衬砌在高内水压力下内水外渗的行为特征。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、将混凝土衬砌模型试样放置在衬砌模型试验系统内进行测试，从而模拟不同的隧洞衬砌模型在不同的内室压力、外室压力环境下的开裂与内水外渗行为特征。试验装置及方法剔除了现场试验的众多复杂干扰因素，使试验结果具有可重复性。

2、衬砌模型试验系统采用透明的压力容器，借助高清数码相机和油性笔划分单元格，对比试验过程中模型表面单元格像素点位置变化，对混凝土衬砌模型试样进行非接触应变测试，可以观察并记录混凝土衬砌在不同内水压力下的应变，通过数据采集器传输数据至计算机后，由计算机绘制出应变-荷载关系曲线。

3、通过控制阀与压力表调节内室压力，并在外室压力油管上设置自动压力阀，可实现衬砌模型内侧水压力和外侧水压力的准确控制，模拟不同的隧洞衬砌内、外水压力环境。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的a-a剖面图；

图3为本发明装置试验方法的步骤流程图

图中：1为衬砌模型，2为底座，3a为内透明筒体，3b为外透明筒体，4为顶板，5为螺杆，6为排气阀，7为外水注水管，8为高压气罐，9为高压水箱，10为压力表，11为控制阀，12为内室高压油管，13为外室高压油管，14为储水桶，15为压力表，16为自动压力阀，17为流量计，18为内激光位移传感器，19为外激光位移传感器，20为数据采集器，21为计算机，22为高清数码相机。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应特别指出的是，对本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，可以做出若干变形与改进，这些亦属于本发明的保护范围。

具体为：

本实施例提供了一种模拟高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗的试验装置，包括依次连接的衬砌模型试验系统、内水压力加载系统及量测系统。其中，所述衬砌模型试验系统用于模拟高内水压力作用下水工隧洞衬砌内水外渗行为；所述内水压力加载系统用于模拟水工隧洞充水加载过程中逐步增加的内水压力；所述外水压力加载系统用于模拟水工隧洞围岩中的外水压力；所述量测系统用于对试验过程中衬砌的变形、开裂、渗透性进行量测。

具体的，所述衬砌模型试验系统包括底座2、透明中空压力容器3、顶板4、螺杆5，排气阀6以及外水注水管7。其中，所述透明中空压力容器3由内透明筒体3a、外透明筒体3b构成，两个透明筒体外壁均采用高强度透明有机玻璃，放置于所述底座2上，混凝土衬砌模型1放置在透明中空压力容器3内；所述顶板4用于固定混凝土衬砌模型1，并作为所述透明中空压力容器3的顶盖；所述螺杆5位于透明中空压力容器3外部，用于固定所述顶板4；所述排气阀6设置在顶板4上用于透明中空压力容器3注水时内部气体的排放；所述外水注水管7连接至顶板4，出水口伸入所述透明中空压力容器3内，用于为透明中空容器3注满水。

具体的，所述内水压力加载系统包括高压气罐8、高压水箱9、压力表10、控制阀11以及内室高压油管12。其中，所述高压气罐8通过管路连接至所述高压水箱9，高压气罐8用于为高压水箱9提供压力；所述压力表10与所述控制阀11设置于所述管路上，用于控制高压水箱9内的气压加载；所述高压软管12从高压水箱9底部连接至顶板4顶部，末端伸入混凝土衬砌模型1内部。

具体的，所述量测系统包括外室高压油管13、储水桶14、自动压力阀15、压力表16、流量计17、内激光位移传感器18、外激光位移传感器19、数据采集器20、计算机21、高清数码相机22。其中，所述外室高压油管13从混凝土衬砌模型外部经顶板4连接至所述储水桶14，所述储水桶14用于收集混凝土衬砌模型1开裂后渗出的内水；所述自动压力阀15、所述压力表16以及流量计17设置于所述外室高压油管13上，用于分离混凝土衬砌模型外渗的内水并测量外渗流量与压力；所述内激光位移传感器18伸入透明中空压力容器3的中空部，所述外激光位移传感器19设置于底座2上，内、外激光位移传感器均通过数据线连接至所述数据采集器20并将数据传输至所述计算机21，以此观测与记录混凝土衬砌模型1在高内水压力下的内、外部观测点的应变；所述高清数码相机22架设在衬砌模型试验系统外同等高度上，用于精确观测记录混凝土衬砌模型的外部变形。

本实施例提供了一种上述用于研究不同钢筋混凝土衬砌设计方案下水工隧洞衬砌水-力耦合特性及内水外渗行为的试验方法，

进一步的，所述试验方法具体为：

步骤一、根据试验目的制作相应尺寸的混凝土衬砌模型1，并在混凝土衬砌模型1表面用油性笔划分单元格，处理完毕后将混凝土衬砌模型1放置在透明中空压力容器3内，盖上顶板4并固定，将内激光位移传感器18伸入透明中空压力容器3的中空部并固定。

步骤二、将透明中空压力容器3内混凝土衬砌模型1外部注满水，设置自动压力阀16阈值，通过控制内水压力加载系统加压，使混凝土衬砌内部充满水，使得混凝土衬砌内外部均注满水。启动内、外激光位移传感器18、19、数据采集器20，计算器21以及高清数码相机22，使各监测部件通电就绪。

步骤三、通过计算机21设置预定内水压力，控制内水压力加载系统加载混凝土衬砌模型1的内水压力至设定值。

步骤四、内水压力加载至预设值后，记录外室高压油管13上储水桶14的收集水量、压力表15的读数与流量计17的示数；数据采集器20与计算机21实时记录混凝土衬砌模型1的内、外变形，并绘制应变-荷载曲线；高清数码相机22每隔一定时间对混凝土衬砌模型1进行拍摄，通过比对所拍摄的高清照片中观测点所在像素格的位移，计算分析混凝土衬砌模型1在试验过程中的整体与局部变形。

步骤五、通过内水外渗水压与外渗流量，计算衬砌1的渗透系数；通过应变-荷载曲线与高清照片比对结果计算衬砌的平均应变与平均裂缝宽度。

步骤六、通过控制阀11调节和压力表10监测，将内室压力增加至下一级荷载水平，重复步骤四到五。

步骤七、整理不同内室水压水平下的试验结果，获得不同内水压力作用下高压隧洞衬砌的内水外渗行为特征。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可在权利要求范围内做出各种变形及修改，这并不影响本发明的实质内容。