引水隧洞运行期衬砌结构安全状态评价研究

2021-02-14樊立博

水利科技与经济 2021年12期

樊立博

(中国安能集团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较为重要的工程项目，水工隧洞的稳定性和结构的健康状况直接关系到引水工程的正常使用，因此对使用中的引水隧洞衬砌结构进行安全性评价是至关重要的。

对于建筑、道路、桥梁、隧道(隧洞)病害研究目前已经取得较为丰硕的成果。赵永国等[1]以公路病害为研究对象，通过对病害类型进行分类，得出病害的成因并提出了相应的防治措施；张素磊等[2]对隧道结构建立模型，分析其产生病害的主要成因；王桂平等[3]将神经网络模型运用于隧道衬砌结构安全状态评价中；ZHOU等运用数理统计的方法构建了隧道结构健康状况评价体系模型，对既有隧道健康状况进行评价；RAO等[4]使用层次分析法分析了隧道结构稳定性的影响因素，并建立评价模型对隧道结构健康状况进行评价；李明等[5]建立了隧道衬砌结构健康状况评价模型，并对既有隧道进行动态评价；王亚琼等[6]提出了将非对称贴近度运用于隧道衬砌结构健康评价体系中；孙可等[7]将层次分析法运用于盾构隧道使用过程中的评价体系中，通过验证具有良好的效果。

基于前人对既有结构建立健康评价体系，本研究采用GSA-PP算法模型对某投入使用的水工隧洞建立结构安全状态评价体系，对影响结构健康的因素进行分析，并将建立的评价模型应用于该引水隧洞不同区段健康状况评价中。

2 工程概况

引水工程作为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较为常用的工程。本研究以某大型引水工程水工隧洞为研究对象，该水工隧洞工程为无压水工隧洞，建于1993年，1995年投入使用，隧洞全长15.722 km，隧洞结构图见图1。隧洞结构形式为拱顶直墙、反式拱底板的结构形式，内洞宽度为4.2 m，内洞高为4.4 m，隧洞设计水流流量为28.9 m3/s，最大埋深为403 m，该隧洞衬砌结构主要采用现浇C20钢筋混凝土和预制拱圈的结构形式。

图1 水工隧洞结构图

3 工程运行情况

该水工隧洞投入使用至今约26年，在使用过程中，根据工程使用记录资料，主要存在下列病害问题：

1) 在工程运行初期，衬砌结构采用的是C15等级的素混凝土，该结构形式抗渗性、抗裂性、力学性能差，经常出现衬砌结构开裂、衬砌结构变形过大等结构病害。

2) 由于该区域水流的矿物成分较高，经常对二次衬砌结构产生腐蚀，再加上水流的冲刷作用，导致二次衬砌结构强度降低，同时也造成墙后围岩结构不稳定、围岩结构变形破坏等问题。

3) 由于该水工隧洞地处岩层破裂区域，再加上该隧洞埋深较大，从而加剧了该水工隧洞的变形破坏。

4) 使用过程中，建设单位对二次衬砌结构采用锚杆和灌浆的方式对二次衬砌进行处理。但由于施工单位未采用合理的施工工艺，二次衬砌结构的裂缝和渗水现象不仅未得到有效缓解，甚至有加剧的趋势。

5) 建设单位同时对隧洞结构采用钢拱架的方式进行处理，由于墙后围岩的变形，从而引起了二次衬砌开裂和钢拱架变形等问题。

6) 部分隧洞结构由于墙后围岩压力以及衬砌结构不协调变形的原因，出现了大面积的塑性变形。

4 隧洞监测

根据现场监测及实地测量，通过下列的测量仪器测出该水工隧洞的病害参数：

1) 为了检测隧洞结构的变形，在围岩结构上布置位移计；二次衬砌结构表面布设收敛变形观测仪；钢支撑结构表面和衬砌结构内部布设应变片；采用全站仪现场观测隧道的变形位移情况。

2) 在衬砌结构裂缝处，布设裂缝计测量裂缝的宽度变化情况。

3) 利用超声波技术和钻芯取样相结合的方法，测量二次衬砌结构的混凝土强度变化情况。

4) 对钢筋部位衬砌结构进行钻芯取样，剥离出内部钢筋，对钢筋的锈蚀、强度状况进行检测。

5) 采集输水管道中的水，测量地下水的矿物质含量、pH值等含量；在同一渗水断面多点布设渗压计，测量水工隧洞渗水状况。

6) 利用地质雷达等无损探测设备测量二次衬砌结构内部的损伤裂缝和围岩结构缺陷。

5 评价体系的建立

根据相关的标准、规范，建立隧洞评价指标体系，见图2。

图2 水工隧洞评价指标体系

对图2中评价体系中的一级指标和二级指标值结合相关规范进行量化，并对量化后的指标值建立评判标准，水工隧洞评价指标评定标准见表1。

表1 水工隧洞评价指标评定标准

6 水工隧洞结构评价

该水工隧洞结构检测值见表2，将检测结果进行标准化处理后的结果见表3。

表2 水工隧洞结构检测值

表3 评价指标标准化结果

将处理后的标准化评价指标结果构造目标函数，采用GSA算法计算PP模型的最佳投影位置，对GSA算法的参数设置见表4。将数据和参数带入GSA算法模型中进行计算，得到PP模型的最佳投影方向为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}，该最佳投影方向的数值表明各分量在该水工隧洞结构体系评价中的权重。分析б中分量的取值可以发现，较大的几个分量取值分别为0.372 9、0.369 7、0.310 2、0.293 4、0.291 1、0.289 8，分别代表缝隙宽A2、缝隙长A1、缝隙深A3、衬砌结构剥落直径E2、渗水形态B1、空洞部分深度F2。

表4 GSA算法参数取值

通过得到的PP模型的最佳投影方向计算各区段Ⅰ-区段Ⅴ的结构评价指标投影值б(i)={3.021 5，7.946 8，1.011 3，1.011 2，3.013 1，1.913 9}。结构评价指标投影值分量越大，表明该分段水工隧洞结构健康状况越良好。

TOPSIS法是统计学中使用较为广泛且较为简洁的多目标决策分析方法，将上述GSA-PP 模型算法与TOPSIS法计算得到的结果进行比较，见表5。

表5 GSA-PP 模型算法与TOPSIS法计算结果对比

分析表5中的数据可得，GSA-PP 模型算法与TOPSIS法计算得到的结果完全相符，水工隧洞结构最健康的是区段Ⅰ、区段Ⅴ，两隧洞结构完全能满足该隧洞的正常使用。区段Ⅱ、区段Ⅵ隧洞健康状况相对较差，需要对其采取一定的措施，区段Ⅱ的破坏主要是因为该区段原始围岩破坏较为严重，出现较为严重的断层现象，衬砌结构出现较为严重的裂缝破坏，因而水流进入衬砌结构以及围岩中，使得这种变形破坏过程出现恶性循环。经过维修加固后，该区段水工隧洞较为缓解，但仍旧有局部出现裂缝并发育，同时衬砌结构渗水现象仍未完全消除。区段Ⅲ、区段Ⅵ隧洞健康状况最差，区段Ⅲ结构健康状况差的原因在于水流中的矿物质成分和无机盐进入衬砌结构中，导致衬砌结构中的钢筋出现严重的锈蚀破坏，进而引起保护层混凝土剥落，出现大面积衬砌结构破碎现象，需要进一步采取措施抑制衬砌结构继续破坏，以及采用支撑结构控制隧洞内径的变形。