水工隧洞钢筋混凝土衬砌开裂加固设计方法研究

鹿 宁，邱 敏，张文江

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

出于经济效益和施工方便的考虑，目前水工隧洞中大量采用钢筋混凝土衬砌。而水工隧洞钢筋混凝土衬砌往往受内压、围岩软化、温度收缩变形等影响而导致钢筋混凝土衬砌开裂。中国许多水电工程，如天生桥一级、公伯峡、周宁、惠蓄等水电工程的水工隧洞均不同程度地存在衬砌混凝土开裂现象[1-3]。衬砌开裂将导致渗漏问题，严重渗漏会危及水工隧洞的耐久性和结构安全，并且造成一定的经济损失；部分隧洞充水运行后产生了严重的开裂渗水，影响了水电站正常运行，并给隧洞维护带来了难度[4-9]。本文结合某境外水工隧洞的衬砌混凝土开裂问题，对水工隧洞钢筋混凝土衬砌开裂的修补设计进行了计算分析，并提出了相应的修补措施。

1 工程简介

该工程尾水隧洞因水库建成蓄水后地下水位线抬高，形成了水工隧洞的高外水问题。根据水文地质分析，尾水隧洞最大外水水头约76 m。经过多年运行，衬砌混凝土已出现裂缝；在高外水压作用下，裂缝两侧衬砌脱离岩壁，无法与之形成联合受力结构，从而导致衬砌结构自身承载能力急剧降低。这样对隧洞运行期和检修期的安全会造成不利的影响，同时增加工程后期运行风险，正常检查维修也受到很大影响。根据对混凝土裂缝的调查，尾水洞混凝土衬砌出现裂缝并漏水，裂缝主要发生在尾水隧洞混凝土衬砌的腰部(如图1)。

图1 尾水隧洞裂缝在隧洞典型横断面的位置图

根据裂缝开裂机理的分析，笔者提出采取固结灌浆加锚杆支护的修补加固方案，先在裂缝出现部位补充设置一定数量的支护锚杆，将混凝土衬砌结构与围岩紧密结合；同时采用深孔高压固结灌浆提高围岩的承载能力并降低围岩渗透系数。通过在隧洞周围形成一定厚度、具有一定承载能力的围岩固结圈,再以锚杆将围岩固结圈与衬砌重新连成整体，重新形成联合受力结构,因此不论隧洞的荷载是内水压力还是外水压力，均可达到围岩与衬砌联合受力。

2 理论方法

据此修补方案，本文拟对开裂的混凝土衬砌和支护后的衬砌均进行结构受力分析，对比采取支护前后结构承载能力的增加，验证本文采取的衬砌加固处理措施行之有效，且满足建筑物安全使用的要求。为了在现场处理时快速得到衬砌结构的设计结果，对衬砌结构采用梁单元进行简化模拟，不考虑钢筋对衬砌结构刚度的影响;衬砌外部的围岩使用GAP单元模拟以降低分析难度和规模。该单元的力学行为在受压时为弹簧单元，压力与变形符合胡克定理；受拉时单元与衬砌脱离，对衬砌不产生拉力。

GAP单元的力学行为描述如下：

(1)

式中：k为弹簧单元常数，且open为初始缝开启，其必须为零或正值。

根据混凝土塑性铰理论，按裂缝的开裂程度和对衬砌结构的影响，将裂缝分为2种简化模型进行模拟。第1种裂缝模型:假定只是混凝土出现裂缝，环向钢筋仍完整处于受力状态。由于钢筋的锚固作用，裂缝两侧衬砌仍不能发生相对位移(传递剪力和轴力)，但可以发生相对转动(不传递弯矩)。因此可用铰节点模拟裂缝区衬砌,如图2。第2种裂缝模型:假定混凝土出现裂缝，并且不考虑环向钢筋的锚固作用。则此时裂缝两侧混凝土衬砌可以发生径向相对位移(不传递剪力)和相对转动(不传递弯矩)。因此可用连杆模拟裂缝区衬砌,如图3。

本文采用锚杆对衬砌裂缝区域进行加固。考虑锚杆结构的轴向刚度，将锚杆以弹簧单元进行模拟。有限元模型见图4。

图2 第1种裂缝模型图

图3 第2种裂缝模型图

图4 有限元计算模型图

3 加固方案

加固设计的原则是采用安全、经济的加固措施，使被加固物回复或部分回复原有的设计功能。考虑到锚杆作为常规支护措施，效果安全有效，施工简单方便，费用经济,因此针对尾水洞裂缝比较集中的范围采用锚杆进行加固处理。鉴于裂缝多现于尾水洞腰线上下1 m范围的特性，在尾水洞两侧腰线上下0.5 m范围各设置1根锚杆，锚杆为Φ22的螺纹钢，锚杆长度为2.5 m，沿水流方向的间距为2 m，锚杆的具体布置见图5。

图5 锚杆布置图 单位：cm

工程2006年竣工，目前已运行12 a，因此施工期工况不进行复核。隧洞衬砌结构在正常运行时，内水压力主要由围岩承担，故正常运行不属于控制工况。但是在检修工况时，衬砌结构将承担巨大的外水压力(76 m)，因此本文着重计算检修工况。计算时，外水折减系数取0.8。

4 计算结果及分析

由表1可以看出，修补后的混凝土衬砌变形明显小于未修补的。由表2可以看出,在外水压力作用下，有锚杆支护的混凝土衬砌所受内力也要小于无支护的混凝土衬砌。因此，采用锚杆支护可以改善混凝土衬砌的受力条件，对混凝土衬砌结构是有利的。根据以上计算结果可知：

表1 衬砌水平变形表

表2 衬砌内力表

(1) 对比衬砌修补前后，衬砌的变形与内力均比未修补小；修补后衬砌的变形量减少明显并控制在1.0 mm以下，修补后发生裂缝的腰部弯矩约是未修补时的20%。因此，本文采取的修补措施是有效的，并可以较好地改善混凝土衬砌的受力情况，对提高混凝土衬砌结构承载能力是有利的。

(2) 剪力和弯矩的最大位置发生在隧洞底部两侧，与结构的受力理论结果一致。从尾水洞结构受力情况可知，尾水洞的底部两侧受力最大，但尾水洞底部两侧没有出现裂缝，而在内力较小的腰部产生了裂缝。裂缝的产生与尾水洞混凝土温控、混凝土施工过程以及混凝土收缩等因素有关。

根据上式计算结果，衬砌混凝土的最大压应力为7.43 MPa小于抗压强度25 MPa；衬砌混凝土的最大拉应力为-4.47 MPa(压应力)，远远小于抗拉强度1.67 MPa。因此可知，衬砌截面均在混凝土强度范围内，且处于受压状态，因此目前的裂缝不会进一步发展。

5 结 语

通过混凝土塑性铰理论和水工隧洞有限元分析理论，将不同混凝土衬砌裂缝分为2种类型，分别进行简化模拟计算。其模型建立简单快速，适合现场人员在短时间内拿出加固设计方案及时加固衬砌结构，避免因支护延误造成的衬砌结构二次破坏。同时计算结果表明：该修补加固方案能够有效降低开裂衬砌结构的变形及内力，增加结构整体性，提高衬砌的承载能力。衬砌结构的加固措施满足安全运行的要求。

该有压尾水隧洞在2012年1月开始停水，按设计修补方案进行修补加固。2月7日修补加固完成，通过业主验收后，尾水隧洞投入运行。目前修补加固后的尾水隧洞运行正常。