噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)噴膜厚度優(yōu)化設(shè)計研究

李 德

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽 110166)

在長期的理論研究和工程經(jīng)驗的支持下，復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)逐步產(chǎn)生和發(fā)展并成為應(yīng)用最廣泛的襯砌結(jié)構(gòu)形式[1]。但是，傳統(tǒng)的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式比較簡單，一般在初支結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行二次襯砌的施作，這往往或?qū)е鲁踔Ш投r結(jié)構(gòu)之間存在一定的空腔。由于初支和二襯結(jié)構(gòu)難以緊密貼合，因此兩者之間僅能以壓力的形式產(chǎn)生相互作用，不利于復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)整體性的有效發(fā)揮[2]。針對這一情況，部分學(xué)者提出在初支和二襯之間設(shè)置一層防水板或防水膜，以提升襯砌結(jié)構(gòu)的整體性，而工程實(shí)踐也證實(shí)了上述結(jié)構(gòu)的科學(xué)性與有效性，特別是在初支和二襯之間噴射丙烯酸鹽噴膜防水材料，憑借其良好的雙面黏結(jié)性能實(shí)現(xiàn)和襯砌結(jié)構(gòu)之間的緊密黏合，實(shí)現(xiàn)在初支和二襯之間壓應(yīng)力、拉應(yīng)力以及剪切應(yīng)力的有效傳遞，使襯砌結(jié)構(gòu)協(xié)同性和整體性更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同受力和共同變形[3]。但是，目前并沒有對噴膜厚度的相關(guān)研究成果。顯然，噴膜厚度不僅會直接影響工程效果，同時也會對工程的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生直接影響。另一方面，噴膜材料黏結(jié)性對襯砌結(jié)構(gòu)整體性的影響機(jī)制和特點(diǎn)目前尚未完全明確，因此給相關(guān)計算造成諸多困難?；诖耍舜窝芯恳跃唧w工程為背景，利用現(xiàn)場試驗的方式對噴膜厚度進(jìn)行優(yōu)化研究，以便為相關(guān)理論研究和工程應(yīng)用提供支持和借鑒。

1 工程概況

大風(fēng)口水庫位于遼寧省綏中縣前衛(wèi)鎮(zhèn)境內(nèi)，是石河中上游的一座大(2)型水利工程，水庫集水面積251km2，主要建筑物有大壩、溢洪道、輸水洞。為了滿足綏中電廠供水需求，優(yōu)化水庫的水資源利用，擬在原有輸水洞的基礎(chǔ)上再新建一條輸水洞。新建輸水洞在原輸水洞的右側(cè)平行設(shè)計，主要由進(jìn)口明渠、豎井段、洞身段、明管段以及出口壓力箱組成，全長1225m，為洞徑2.0m的圓形有壓隧洞，設(shè)計流速為0.13m/s。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗方案

按照背景工程的設(shè)計方案，該輸水隧洞洞身段的初支結(jié)構(gòu)為錨桿+C30噴射混凝土，初支混凝土的厚度為20cm，二次襯砌為C35普通混凝土，厚度為40cm，初支和二襯之間噴涂一層丙烯酸鹽噴膜防水材料。

此次研究目的是探討噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)中噴膜厚度的工程影響，在水工隧洞中的應(yīng)用價值。因此，在試驗過程中設(shè)置不同的噴膜厚度方案進(jìn)行試驗研究。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗和施工規(guī)范，聚合物水泥基防水膜的總厚度一般不超過2mm，此次試驗中使用的噴膜材料單層噴涂的厚度約為0.4mm[4]。因此，試驗中按照噴涂1遍、2遍、3遍、4遍和5遍設(shè)定試驗方案，其噴層的總厚度分別為0.4mm、0.8mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm。通過現(xiàn)場試驗獲得不同噴層厚度方案的圍巖位移、襯砌結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力場數(shù)據(jù)，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，獲得最佳的噴層厚度方案[5]。為了保證研究結(jié)果的科學(xué)性和有效性，此次對比試驗選擇的是背景工程輸水隧洞洞身段D1+225～D1+275洞段，總長度為50m。該洞段圍巖為Ⅲ級，圍巖巖體為微風(fēng)化花崗巖。經(jīng)地質(zhì)勘查，該洞段沒有明顯的斷層、裂隙等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖體分布比較均勻，可以將對比試驗中其他因素的影響控制在可以接受的范圍內(nèi)[6]。在具體試驗過程中，將試驗段均分為5段，分別對應(yīng)5種試驗方案，每段的中間斷面作為試驗過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測斷面。

2.2 試驗方法

在現(xiàn)場監(jiān)測試驗中，監(jiān)測儀器不僅要具有良好的運(yùn)行性能，還要具有簡易、持久、可靠性，因此可以選擇對外部施工條件和自然條件敏感性小的光學(xué)儀器或機(jī)械性儀器。根據(jù)此次研究的實(shí)際需要，試驗監(jiān)測項目包括圍巖位移、襯砌變形以及襯砌應(yīng)力。

試驗中應(yīng)力測試采用的是頻率接受儀，變形量采用精密水準(zhǔn)儀、收斂計以及全站儀相結(jié)合的方式進(jìn)行測量[7]。其中，壓力測試元件在鋼筋綁扎后澆筑襯砌混凝土之前進(jìn)行埋設(shè)，在埋設(shè)前需要做好壓力盒支架以及余線保護(hù)盒的加工。變形測試元件在澆筑混凝土后及時埋設(shè)，要避免由于埋設(shè)不及時導(dǎo)致難以獲得初始測量數(shù)據(jù)，在施工過程中需要每天測量一次壓力，每兩天測量一次變形量[8]。為了全面評價圍巖不同部位的位移和應(yīng)力分布特點(diǎn)，在隧洞測量斷面的拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳與拱底部位布設(shè)位移和應(yīng)力測量儀器，對獲取的測量結(jié)果進(jìn)行對比分析(見圖1)。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 圍巖位移

利用試驗獲取的圍巖位移數(shù)據(jù)，整理獲得隧洞圍巖8個典型部位的圍巖位移最大值(見表1)。從表中可以看出，不同試驗方案圍巖的位移值存在一定的差異性，這說明噴膜防水襯砌的噴膜厚度對圍巖位移量有一定影響。具體來看，隨著噴膜厚度的增加，圍巖各關(guān)鍵部位的位移量最大值均呈現(xiàn)出先不斷減小后小幅上升的變化特點(diǎn)。從具體的試驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)噴膜厚度為1.6mm時圍巖各關(guān)鍵部位的位移量最大值最小，但是與噴膜厚度為1.2mm方案相比減小的幅度極為有限。

表1 圍巖關(guān)鍵部位位移量試驗結(jié)果

3.2 襯砌變形

利用試驗獲取的襯砌結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù)，整理獲得輸水隧洞試驗段襯砌結(jié)構(gòu)8個典型部位的位移最大值(見表2)。從表中可以看出，不同噴膜厚度設(shè)計方案的襯砌位移特征與圍巖位移特征基本相似，變化規(guī)律也基本一致，從具體變形量來看，襯砌結(jié)構(gòu)的最大位移值稍大。具體來看，隨著噴膜厚度的增加，襯砌結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的位移量最大值均呈現(xiàn)出先不斷減小后小幅上升的變化特點(diǎn)。從具體的試驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)噴膜厚度為1.6mm時襯砌結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的位移量最大值最小，但是與噴膜厚度為1.2mm方案相比減小的幅度極為有限。

表2 襯砌關(guān)鍵部位位移量試驗結(jié)果

3.3 襯砌應(yīng)力

利用試驗獲取的襯砌應(yīng)力數(shù)據(jù)，整理獲得輸水隧洞試驗段襯砌結(jié)構(gòu)8個典型部位的應(yīng)力最大值(見表3)。從表中的試驗結(jié)果可以看出，在不同噴膜厚度設(shè)計方案下隧洞各個部位的襯砌應(yīng)力變化特征基本一致。隨著噴膜厚度的增加，各部位的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力最大值均呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征，但是變化的幅度有所不同。具體來看，當(dāng)噴膜厚度小于1.2mm時，隨著噴膜厚度的增加，各部位的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的下降幅度較大，當(dāng)噴膜厚度大于1.2mm時，隨著噴膜厚度的增加，各部位的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的下降幅度有限。

表3 襯砌關(guān)鍵部位應(yīng)力試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場試驗的方式，探討了噴膜厚度對噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)工程效果的影響，獲得的主要結(jié)論如下：隨著噴膜厚度的增加，圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)位移量呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點(diǎn)，當(dāng)噴膜厚度為1.6mm時位移量最小；隨著噴膜厚度的增加，襯砌應(yīng)力呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征，當(dāng)噴膜厚度大于1.2mm時的減小幅度有限；鑒于噴膜厚度為1.2mm和1.6mm的圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)位移量十分接近，進(jìn)一步增加噴膜厚度并不能顯著降低襯砌應(yīng)力，且工程成本將顯著增加，因此，建議采用1.2mm的噴膜厚度。