引水隧洞運行期襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價研究

樊立博

(中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司，成都 611135)

1 概 述

水工隧洞是引水工程中較為重要的工程項目，水工隧洞的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的健康狀況直接關(guān)系到引水工程的正常使用，因此對使用中的引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評價是至關(guān)重要的。

對于建筑、道路、橋梁、隧道(隧洞)病害研究目前已經(jīng)取得較為豐碩的成果。趙永國等[1]以公路病害為研究對象，通過對病害類型進(jìn)行分類，得出病害的成因并提出了相應(yīng)的防治措施；張素磊等[2]對隧道結(jié)構(gòu)建立模型，分析其產(chǎn)生病害的主要成因；王桂平等[3]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價中；ZHOU等運用數(shù)理統(tǒng)計的方法構(gòu)建了隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評價體系模型，對既有隧道健康狀況進(jìn)行評價；RAO等[4]使用層次分析法分析了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素，并建立評價模型對隧道結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行評價；李明等[5]建立了隧道襯砌結(jié)構(gòu)健康狀況評價模型，并對既有隧道進(jìn)行動態(tài)評價；王亞瓊等[6]提出了將非對稱貼近度運用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)健康評價體系中；孫可等[7]將層次分析法運用于盾構(gòu)隧道使用過程中的評價體系中，通過驗證具有良好的效果。

基于前人對既有結(jié)構(gòu)建立健康評價體系，本研究采用GSA-PP算法模型對某投入使用的水工隧洞建立結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價體系，對影響結(jié)構(gòu)健康的因素進(jìn)行分析，并將建立的評價模型應(yīng)用于該引水隧洞不同區(qū)段健康狀況評價中。

2 工程概況

引水工程作為很多城市目前在建的大型水利工程，水工隧洞是引水工程中較為常用的工程。本研究以某大型引水工程水工隧洞為研究對象，該水工隧洞工程為無壓水工隧洞，建于1993年，1995年投入使用，隧洞全長15.722 km，隧洞結(jié)構(gòu)圖見圖1。隧洞結(jié)構(gòu)形式為拱頂直墻、反式拱底板的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)洞寬度為4.2 m，內(nèi)洞高為4.4 m，隧洞設(shè)計水流流量為28.9 m3/s，最大埋深為403 m，該隧洞襯砌結(jié)構(gòu)主要采用現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土和預(yù)制拱圈的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 水工隧洞結(jié)構(gòu)圖

3 工程運行情況

該水工隧洞投入使用至今約26年，在使用過程中，根據(jù)工程使用記錄資料，主要存在下列病害問題：

1) 在工程運行初期，襯砌結(jié)構(gòu)采用的是C15等級的素混凝土，該結(jié)構(gòu)形式抗?jié)B性、抗裂性、力學(xué)性能差，經(jīng)常出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)開裂、襯砌結(jié)構(gòu)變形過大等結(jié)構(gòu)病害。

2) 由于該區(qū)域水流的礦物成分較高，經(jīng)常對二次襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕，再加上水流的沖刷作用，導(dǎo)致二次襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，同時也造成墻后圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、圍巖結(jié)構(gòu)變形破壞等問題。

3) 由于該水工隧洞地處巖層破裂區(qū)域，再加上該隧洞埋深較大，從而加劇了該水工隧洞的變形破壞。

4) 使用過程中，建設(shè)單位對二次襯砌結(jié)構(gòu)采用錨桿和灌漿的方式對二次襯砌進(jìn)行處理。但由于施工單位未采用合理的施工工藝，二次襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫和滲水現(xiàn)象不僅未得到有效緩解，甚至有加劇的趨勢。

5) 建設(shè)單位同時對隧洞結(jié)構(gòu)采用鋼拱架的方式進(jìn)行處理，由于墻后圍巖的變形，從而引起了二次襯砌開裂和鋼拱架變形等問題。

6) 部分隧洞結(jié)構(gòu)由于墻后圍巖壓力以及襯砌結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)變形的原因，出現(xiàn)了大面積的塑性變形。

4 隧洞監(jiān)測

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測及實地測量，通過下列的測量儀器測出該水工隧洞的病害參數(shù)：

1) 為了檢測隧洞結(jié)構(gòu)的變形，在圍巖結(jié)構(gòu)上布置位移計；二次襯砌結(jié)構(gòu)表面布設(shè)收斂變形觀測儀；鋼支撐結(jié)構(gòu)表面和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部布設(shè)應(yīng)變片；采用全站儀現(xiàn)場觀測隧道的變形位移情況。

2) 在襯砌結(jié)構(gòu)裂縫處，布設(shè)裂縫計測量裂縫的寬度變化情況。

3) 利用超聲波技術(shù)和鉆芯取樣相結(jié)合的方法，測量二次襯砌結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度變化情況。

4) 對鋼筋部位襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆芯取樣，剝離出內(nèi)部鋼筋，對鋼筋的銹蝕、強(qiáng)度狀況進(jìn)行檢測。

5) 采集輸水管道中的水，測量地下水的礦物質(zhì)含量、pH值等含量；在同一滲水?dāng)嗝娑帱c布設(shè)滲壓計，測量水工隧洞滲水狀況。

6) 利用地質(zhì)雷達(dá)等無損探測設(shè)備測量二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷裂縫和圍巖結(jié)構(gòu)缺陷。

5 評價體系的建立

根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，建立隧洞評價指標(biāo)體系，見圖2。

圖2 水工隧洞評價指標(biāo)體系

對圖2中評價體系中的一級指標(biāo)和二級指標(biāo)值結(jié)合相關(guān)規(guī)范進(jìn)行量化，并對量化后的指標(biāo)值建立評判標(biāo)準(zhǔn)，水工隧洞評價指標(biāo)評定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 水工隧洞評價指標(biāo)評定標(biāo)準(zhǔn)

6 水工隧洞結(jié)構(gòu)評價

該水工隧洞結(jié)構(gòu)檢測值見表2，將檢測結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的結(jié)果見表3。

表2 水工隧洞結(jié)構(gòu)檢測值

表3 評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

將處理后的標(biāo)準(zhǔn)化評價指標(biāo)結(jié)果構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，采用GSA算法計算PP模型的最佳投影位置，對GSA算法的參數(shù)設(shè)置見表4。將數(shù)據(jù)和參數(shù)帶入GSA算法模型中進(jìn)行計算，得到PP模型的最佳投影方向為б={0.369 7，0.372 9，0.310 2，0.293 4，0.279 7，0.187 5，0.225 8，0.054 6，0.289 8，0.225 2，0.177 1，0.299 0，0.183 7，0.291 1}，該最佳投影方向的數(shù)值表明各分量在該水工隧洞結(jié)構(gòu)體系評價中的權(quán)重。分析б中分量的取值可以發(fā)現(xiàn)，較大的幾個分量取值分別為0.372 9、0.369 7、0.310 2、0.293 4、0.291 1、0.289 8，分別代表縫隙寬A2、縫隙長A1、縫隙深A(yù)3、襯砌結(jié)構(gòu)剝落直徑E2、滲水形態(tài)B1、空洞部分深度F2。

表4 GSA算法參數(shù)取值

通過得到的PP模型的最佳投影方向計算各區(qū)段Ⅰ-區(qū)段Ⅴ的結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)投影值б(i)={3.021 5，7.946 8，1.011 3，1.011 2，3.013 1，1.913 9}。結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)投影值分量越大，表明該分段水工隧洞結(jié)構(gòu)健康狀況越良好。

TOPSIS法是統(tǒng)計學(xué)中使用較為廣泛且較為簡潔的多目標(biāo)決策分析方法，將上述GSA-PP 模型算法與TOPSIS法計算得到的結(jié)果進(jìn)行比較，見表5。

表5 GSA-PP 模型算法與TOPSIS法計算結(jié)果對比

分析表5中的數(shù)據(jù)可得，GSA-PP 模型算法與TOPSIS法計算得到的結(jié)果完全相符，水工隧洞結(jié)構(gòu)最健康的是區(qū)段Ⅰ、區(qū)段Ⅴ，兩隧洞結(jié)構(gòu)完全能滿足該隧洞的正常使用。區(qū)段Ⅱ、區(qū)段Ⅵ隧洞健康狀況相對較差，需要對其采取一定的措施，區(qū)段Ⅱ的破壞主要是因為該區(qū)段原始圍巖破壞較為嚴(yán)重，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的斷層現(xiàn)象，襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的裂縫破壞，因而水流進(jìn)入襯砌結(jié)構(gòu)以及圍巖中，使得這種變形破壞過程出現(xiàn)惡性循環(huán)。經(jīng)過維修加固后，該區(qū)段水工隧洞較為緩解，但仍舊有局部出現(xiàn)裂縫并發(fā)育，同時襯砌結(jié)構(gòu)滲水現(xiàn)象仍未完全消除。區(qū)段Ⅲ、區(qū)段Ⅵ隧洞健康狀況最差，區(qū)段Ⅲ結(jié)構(gòu)健康狀況差的原因在于水流中的礦物質(zhì)成分和無機(jī)鹽進(jìn)入襯砌結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)中的鋼筋出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕破壞，進(jìn)而引起保護(hù)層混凝土剝落，出現(xiàn)大面積襯砌結(jié)構(gòu)破碎現(xiàn)象，需要進(jìn)一步采取措施抑制襯砌結(jié)構(gòu)繼續(xù)破壞，以及采用支撐結(jié)構(gòu)控制隧洞內(nèi)徑的變形。

7 結(jié) 論

本研究通過GSA-PP算法模型對結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行評價，分析影響結(jié)構(gòu)健康的因素，并對比區(qū)段Ⅰ-區(qū)段Ⅵ的健康狀況，得到以下結(jié)論：

1) 對襯砌結(jié)構(gòu)影響較大的因素主要包括縫隙寬、縫隙長、縫隙深、襯砌結(jié)構(gòu)剝落直徑、滲水形態(tài)、空洞部分深度，通過對其采取一定的措施可以有效提高襯砌結(jié)構(gòu)的健康狀況。

2) 對比分析GSA-PP 模型算法與TOPSIS法計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其計算結(jié)果完全吻合，說明利用GSA-PP 模型算法對水工隧洞健康狀況進(jìn)行評價是合理有效的。

3) 在所研究的水工隧洞區(qū)段中，襯砌結(jié)構(gòu)健康狀況由優(yōu)到劣依次為區(qū)段Ⅰ、區(qū)段Ⅴ、區(qū)段Ⅱ、區(qū)段Ⅵ、區(qū)段Ⅲ、區(qū)段Ⅳ。