一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构技术领域
本发明涉及一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构，属于土木工程领域。
背景技术
在水工结构中，高内压输水隧洞十分常见。高内压输水隧洞如果采用普通钢筋混凝土衬砌，由于内水压力过大，隧洞衬砌管壁混凝土中的拉应力极易超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土产生裂缝，导致内水渗漏，出现围岩稳定问题，极易造成较大经济损失。因此高内压输水隧洞一般采用预应力混凝土衬砌。
高内压输水隧洞预应力衬砌大多采用圆形断面形式。衬砌与围岩联合工作，共同承受围岩压力和其他荷载，以保持隧洞安全和围岩的稳定。预应力混凝土衬砌通过张拉混凝土衬砌内的锚索使衬砌产生预应力，可使衬砌厚度减薄，显著降低工程造价和施工难度、加快施工进度，可以有效弥补混凝土抗拉强度低和延展性能低的缺点。锚具槽是隧洞预应力衬砌结构的薄弱环节，锚具槽会削弱其局部混凝土的刚度，锚具槽附近部位内表面混凝土极易出现较大拉应力区，产生裂缝，导致内水外渗，并有可能产生锚具腐蚀，如果不加以处理，任裂缝发展甚至可能造成锚索失效的重大安全事故。
为了抑制高内压输水隧洞预应力衬砌锚具槽部位裂缝开展导致的安全隐患问题，国内较为成熟的改善加固措施是采用局部粘贴钢板加固衬砌，简称为粘刚加固法。粘钢加固法是用结构胶粘剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构易开裂部位表面，使其具有良好的共同工作性能，能达到加固和增强原结构强度和刚度的目的。粘钢所占空间小，加固方法简单、施工周期短、消耗材料少。粘钢加固部位、范围与强度可视加固设计的构造需要而定，是较为常用的加固技术。但是粘刚加固法存在以下问题：（1）采用粘贴钢板加固钢筋混凝土结构构件，不宜超过3层，且钢板总厚度不宜大于10mm，特殊形状钢板的加工及运输成本高；（2）粘刚加固法适用于环境温度不超过60℃，相对湿度不大于70%及无化学腐蚀的使用环境中，在高压输水隧洞中容易腐蚀生锈，后期维护费用高。碳纤维布加固具有以下粘钢加固法所不具备的优点：（1）施工质量易保证。与粘钢加固法比较，碳纤维布是柔性的，即使被加固的结构表面不是非常平整也可以达到有效的粘贴率；（2）耐腐蚀性和耐久性好。用碳纤维布补强加固预应力钢筋混凝土结构有良好的耐腐蚀性和耐久性，使用这种加固方式对结构进行处理以后，不需要粘钢法所必需的定期防锈维护，可节省大笔的维修费用；（3）施工便捷、功效高、运输方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构，它可以有效抑制高内压输水隧洞预应力衬砌锚具槽部位裂缝的开展，防止出现内水渗漏以及锚索失效问题，有效保证结构受力稳定与运行安全。
本发明采用的技术方案：
一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构，包括钢筋混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌中预埋的预应力锚索、钢筋混凝土衬砌锚具槽上粘贴的碳纤维布和起固定作用的碳纤维销钉。
所述碳纤维布的两端通过碳纤维销钉深入钢筋混凝土衬砌中的孔道，孔道中注入结构胶粘剂，通过结构胶粘剂将碳纤维销钉与钢筋混凝土衬砌粘结在一起。
所述碳纤维销钉露出钢筋混凝土衬砌的头部呈花瓣形，粘贴固定在碳纤维布上，并且在固定区域再粘贴一层碳纤维布。
在上述技术方案的实施过程中，现场现浇预应力钢筋混凝土衬砌，钢筋混凝土衬砌中预埋预应力锚索的张拉孔道以及预设锚具槽，在钢筋混凝土衬砌达到一定的强度等级后进行预应力锚索的张拉和锚固工作，使钢筋混凝土衬砌获得一定的预压应力。
预应力锚索的施工包含预应力锚索的编束、穿孔、张拉、锚固以及张拉孔道和锚具槽的回填灌浆等一系列工序，工艺复杂，施工要求高。
在锚具槽部位粘贴碳纤维布。在粘贴好的碳纤维布两端的钢筋混凝土衬砌上钻有孔道，碳纤维销钉置入孔道中，孔道中注入结构胶粘剂，将碳纤维销钉与钢筋混凝土衬砌粘接在一起，钢筋混凝土衬砌外部露出的碳纤维销钉两端头呈花瓣形展开，与钢筋混凝土衬砌上面粘贴的碳纤维布粘贴固定，固定区域再加贴一层碳纤维布，起到锚固碳纤维销钉头部的作用，以保障碳纤维布与钢筋混凝土衬砌协同工作。
碳纤维布的粘贴层数为一层或数层不等，具体粘贴层数，通过有限元计算确定。
在上述技术方案中，覆盖碳纤维销钉的最外层碳纤维布在粘贴完成后，在其表面刮涂环氧胶泥进行表面防腐保护。
本发明适用于高内水压力输水隧洞预应力衬砌结构。
本发明原理如下：（1）现浇预应力钢筋混凝土衬砌。支护并加固围岩，与围岩一起承受围岩压力、内水压力和其他荷载，保证输水隧洞安全稳定运行。（2）碳纤维布。在锚具槽部位粘贴碳纤维布，抑制锚具槽部位裂缝开展，防止内水外渗造成腐蚀性破坏。（3）碳纤维销钉。增强碳纤维布与槽口及其周边混凝土的结合，确保碳纤维布与衬砌混凝土的联合受力并保证防渗性能。（4）环氧胶泥。主要起到防腐作用。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
①碳纤维布强度高，密闭性好，能较好地防止钢筋混凝土衬砌中锚具槽部位混凝土开裂造成内水外渗引起的腐蚀性破坏问题。
②碳纤维布轻薄，便于裁剪成任何形状，施工简单、便捷。
③提高了高内压输水隧洞预应力衬砌结构的使用寿命期限和安全稳定性，社会经济效益显著。
附图说明
图1是本发明中高内压输水隧洞预应力衬砌结构的断面示意图。
图2是碳纤维销钉嵌固碳纤维布示意图。
图3是粘贴碳纤维布结构局部放大图。
图中：1—钢筋混凝土衬砌；2—预应力锚索；3—锚具槽；4—碳纤维布；5—碳纤维销钉；6—底胶；7—修补胶；8—结构胶粘剂；9—环氧胶泥。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明，本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
如图1～图3所示，一种高内压输水隧洞的预应力衬砌结构，包括钢筋混凝土衬砌，衬砌中预埋的预应力锚索，衬砌锚具槽上粘贴的碳纤维布和起固定作用的碳纤维销钉。
所述碳纤维布的两端通过碳纤维销钉深入钢筋混凝土衬砌中的孔道，孔道中注入结构胶粘剂，通过结构胶粘剂将碳纤维销钉与钢筋混凝土衬砌粘结在一起。
所述碳纤维销钉露出钢筋混凝土衬砌的头部呈花瓣形，粘贴固定在碳纤维布上，并且在固定区域再粘贴一层碳纤维布。
本发明的具体施工过程如下：
1、开挖岩体后，在钢筋混凝土浇筑前，按所要求的形状埋设预应力钢筋张拉孔道以及预留锚具槽和碳纤维销钉孔道，然后浇筑钢筋混凝土，待混凝土达到一定的强度后将预应力锚索穿入孔道并进行张拉锚固，最后对锚具槽槽口部位回填混凝土。
2、对锚具槽槽口部位回填混凝土并进行防腐处理后，在锚具槽粘贴碳纤维布，其施工工艺流程为：定位放线→对锚具槽及周边混凝土进行表面处理→配制并涂刷底胶→配制修补胶并对混凝土表面不平整处进行填补和找平处理→配制并涂刷结构胶粘剂→粘贴碳纤维布→表面刷涂环氧胶泥→固化养护。
3、按以下要求对粘贴混凝土进行表面处理：（1）清除加固部位混凝土表面的夹渣、疏松、蜂窝、麻面、起砂、腐蚀等混凝土缺陷，露出混凝土结构层；将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净，使其表面平整；将混凝土构件表面凸出部分打磨平整；棱角部位用磨光机磨成圆角，圆角半径在30mm以上。（2）按设计要求对裂缝进行灌注或封闭处理。
4、按以下要求涂底胶：（1）按胶粘剂生产厂家提供的工艺条件配制底胶。（2）将配好的底胶材料用滚筒刷均匀地涂刷于混凝土构件表面，指触干燥后进行下一道工序的施工。
5、按以下要求进行找平处理：（1）按产品生产厂家提供的工艺条件配制修补胶。（2）对混凝土表面凹陷部位用修补胶填补平整，不应有棱角，转角处应采用修补胶修成光滑的圆弧，其曲率半径不应小于20mm，修补胶表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
6、按以下要求粘贴碳纤维布：（1）按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。为便于粘贴，裁剪好的碳纤维布卷在小圆棍或圆筒上，并编号以供使用。裁剪和卷布过程中，碳纤维布表面应无灰尘、杂物。（2）在气温为10℃以上、相对湿度小于85%的条件下，在修补胶表面粘贴第一层碳纤维布，包括下涂和贴片两个步骤：下涂步骤是指用滚筒刷在修补胶表面均匀地涂抹结构胶粘剂；贴片步骤是指将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，粘贴时，采用专用滚筒沿纤维方向在碳纤维布上滚压两次以上，将碳纤维布和结构胶粘剂之间的空气挤压排出，使结构胶粘剂充分浸透碳纤维布。（3）多层粘贴重复（2）步骤。
7、养护。将上述碳纤维布在气温为10~30℃、相对湿度为60%~85%的条件下自然养护1~2h，达到初期固化，初期固化期间不受碰撞，初期固化后继续养护1~2周，达到完全固化。
8、施工质量检测验收合格后，在最外层碳纤维布表面涂抹一层环氧胶泥。