積石峽水電站導(dǎo)流洞堵頭穩(wěn)定性分析

權(quán) 鋒，郭紅彥

（中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710065）

積石峽水電站采用全年圍堰擋水、導(dǎo)流隧洞和泄洪排沙底孔導(dǎo)流、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流洞與中孔泄洪洞采用 “龍?zhí)ь^”的方式結(jié)合，導(dǎo)流洞總長660.0 m，其中非結(jié)合段長117.0 m，結(jié)合段長500.0 m，導(dǎo)流洞堵頭為1級永久建筑物，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與大壩相同，擋水水頭80.0 m。在永久建筑物具備下閘條件、導(dǎo)流洞利用鋼閘門下閘封堵之后，進(jìn)行導(dǎo)流洞永久堵頭的施工。為了研究堵頭的穩(wěn)定性，本文主要采用了兩種解析法進(jìn)行計算，并采用三維有限元計算方法對堵頭的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，從而確定堵頭的長度。

1 設(shè)計資料和計算參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)簡圖

堵頭為楔形體，堵頭縱剖面見圖1。

1.2 設(shè)計工況

校核洪水位 1 860.40 m，正常蓄水位 1 856.00 m，導(dǎo)流洞開挖斷面面積190.06 m2，襯砌后面積140.49 m2，初擬封堵長度40 m，襯砌后高程洞底1 778.00 m、 洞頂 1 793.00 m，開挖洞底高程 1 777.00 m、洞頂高程1 794.00 m。設(shè)計工況見表1。

圖1 導(dǎo)流洞堵頭縱剖面（單位：cm）

1.3 計算參數(shù)

襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C25時，彈性模量取28.0 GPa，泊松比 0.167，容重 25 kN/m3； 強(qiáng)度等級為 C20 時，彈性模量取 25.5 GPa，泊松比 0.167，容重24 kN/m3。混凝土與混凝土之間的抗剪斷參數(shù)f′=1.0，c′=0.8 MPa； 混凝土與圍巖之間 f′=0.65，c′=0.45 MPa。導(dǎo)流洞封堵段圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 堵頭設(shè)計工況

表2 導(dǎo)流洞封堵段圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2 基本假定

（1）堵頭混凝土與原襯砌混凝土為各向同性的線彈性材料，圍巖為彈塑性材料。

（2）圍巖及堵頭內(nèi)滲透水壓力和下游水壓力暫時不計。

（3）頂拱部位襯砌混凝土與堵頭混凝土之間以及襯砌外表面與圍巖之間是脫開的。

（4）把導(dǎo)流洞襯砌混凝土與堵頭混凝土的接觸面定義為潛在滑動面①，襯砌混凝土與圍巖的接觸面定義為潛在滑動面②。

3 計算成果分析

3.1 可靠度理論

采用可靠度理論分別對滑動面①、②的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，計算成果見表3。

表3 可靠度計算結(jié)果

從表3的計算結(jié)果可以看出，對于持久工況，潛在滑動面①、②的抗滑力與作用力的比值均大于1.32，表明堵頭處于安全狀態(tài)；對于偶然工況，在校核洪水位情況和地震情況時，潛在滑動面①、②的抗滑力與作用力的比值均大于1.122，表明堵頭處于安全狀態(tài)。

3.2 抗沖剪理論

采用抗沖剪理論分別對滑動面①、②的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，計算成果見表4。

表4 抗沖剪系數(shù)計算結(jié)果

從表4可以看出，對于持久工況，潛在滑動面①、②的平均剪應(yīng)力均小于0.2 MPa，堵頭處于安全狀態(tài)；對于偶然工況，在校核洪水位情況和地震情況時，潛在滑動面①、②的平均剪應(yīng)力均小于0.3 MPa，表明堵頭處于安全狀態(tài)。

3.3 有限元理論

有限元理論計算共劃分為84 302個網(wǎng)格，選用的是偶然工況下的地震情況，為最不利工況，對該工況進(jìn)行了三維有限元驗證分析計算。網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 有限元計算網(wǎng)格模型

3.3.1 滑動面①

（1）堵頭混凝土本體應(yīng)力和變形。堵頭混凝土第一主應(yīng)力從數(shù)值上看整體不大，僅局部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，最大值達(dá)到3.0 MPa，大于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度。堵頭水平向應(yīng)力SX最大值達(dá)到2.5 MPa，出現(xiàn)在邊墻部位，大于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度。堵頭豎向應(yīng)力SY最大值達(dá)到1.5 MPa，出現(xiàn)在邊墻部位，大于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度。堵頭襯砌的水流向應(yīng)力SZ最大值達(dá)到1.1 MPa，出現(xiàn)在拱座及邊墻部位，接近C20混凝土的抗拉強(qiáng)度。從應(yīng)力的計算值可以看出，堵頭迎水面襯砌與圍巖接觸位置會脫開，所以需要在堵頭的上游端面布置適當(dāng)?shù)匿摻顏矸乐够炷晾眩骂^其他部位拉應(yīng)力大都小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。堵頭混凝土的第三主應(yīng)力最大壓應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa，出現(xiàn)在邊墻及拱座位置，但小于C20混凝土的抗壓強(qiáng)度。堵頭混凝土的水流向變形都不是很大，最大值出現(xiàn)在迎水面堵頭中心位置，達(dá)0.4 mm，這是由于堵頭受水壓力作用向下游變形的緣故。

（2）接觸面法向應(yīng)力SX和SY。在頂拱部位中部附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，SX最大拉應(yīng)力達(dá)到0.91 MPa，SY最大拉應(yīng)力達(dá)到0.68 MPa，同時，在底板中部附近也出現(xiàn)應(yīng)力集中，SX和SY最大拉應(yīng)力達(dá)到0.83～0.74 MPa，其他部位全部為壓應(yīng)力，說明堵頭在運(yùn)行過程中，早期襯砌混凝土與堵頭混凝土之間基本上是受壓貼緊的，這對于封堵混凝土將上游水推力傳給襯砌是有利的。

（3）接觸面水流向應(yīng)力SZ。堵頭體順?biāo)飨驊?yīng)力SZ均為壓應(yīng)力，且數(shù)值較小，遠(yuǎn)低于混凝土的抗壓強(qiáng)度，不會出現(xiàn)局部破壞現(xiàn)象。

3.3.2 滑動面②

（1）堵頭混凝土本體應(yīng)力和變形。堵頭混凝土第一主應(yīng)力從數(shù)值上看整體較小，僅局部出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大值達(dá)到0.7 MPa，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度。堵頭水平向應(yīng)力SX和豎向應(yīng)力SY最大值均達(dá)到0.1 MPa，出現(xiàn)在頂拱部位，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度。堵頭水流向應(yīng)力SZ最大值達(dá)到0.3 MPa，出現(xiàn)在頂拱部位，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度。其他部位均為壓應(yīng)力。堵頭混凝土的水流向變形都不是很大，位移最大值出現(xiàn)在迎水面堵頭中心，達(dá)0.7 mm，這是由于堵頭受水壓力作用向下游變形的緣故。

（2）接觸面法向應(yīng)力SX和SY。在頂拱部位中部附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，SX最大拉應(yīng)力達(dá)到0.10 MPa，SY最大拉應(yīng)力達(dá)到0.23 MPa，其他部位全部為壓應(yīng)力，說明在堵頭運(yùn)行過程中，早期襯砌混凝土與圍巖之間基本上是受壓貼緊的，這對于堵頭將上游水推力傳給圍巖是有利的。

（3）接觸面水流向應(yīng)力SZ。順?biāo)飨驊?yīng)力SZ均為壓應(yīng)力，其值較小，僅在迎水面頂拱部位出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)力，但遠(yuǎn)低于混凝土的抗壓強(qiáng)度，不會產(chǎn)生局部破壞的危險。

4 結(jié)論

通過采用解析法和三維有限元方法對堵頭進(jìn)行分析計算后可以明確看出，抗沖剪理論計算的安全系數(shù)較大，可靠度理論計算的堵頭長度最長，因此，采用可靠度理論計算結(jié)果，堵頭長度初步定為40 m，但考慮到積石峽水電站導(dǎo)流洞與中孔泄洪洞交叉段的跨度較大，屬于大洞室斷面，為了安全起見，堵頭長度確定為50 m。

［1］楊靜安，郭紅彥.拉西瓦水電站導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2008（11）:71-75.

［2］楊靜安，伍鶴皋，等.大型導(dǎo)流隧洞結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定分析［J］.水電能源科學(xué)，2007，25（01）:94-97.

［3］甘文喜.水工隧洞堵頭設(shè)計探討［J］.人民長江 2001，32（5）:34-36.

［4］許廣義.水電站導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2006.

［5］林正偉，何江達(dá)，陳建康.水工隧洞用常規(guī)方法與有限元計算的差異［J］.四川水力發(fā)電，2003（06）:80-83.

［6］易利維，左建明.導(dǎo)流洞封堵設(shè)計探討［J］.湖南水利水電，2002（05）:16-17.