伊泰茲水電站引水洞施工支洞堵頭穩定性分析

任小亮 葛瑤 孫斌

(1.中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西西安 710065;2.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安 710001)

1 工程概況

伊泰茲水電站位于贊比亞南方省丘莫市伊泰茲區，大壩位于贊比西河和凱福河交匯點上游295 km處，距離已建成的上凱福峽水電站230 km。伊泰茲大壩于1978年建成，是下游上凱福峽水電站的調節水庫，主要用于蓄水灌溉和凱福河流量管理，調節上凱福峽水電站的水力發電流量。大壩為心墻防滲土石壩，最大壩高65 m，正常蓄水位1 033.5 m，校核洪水位1 040.37 m。擴機工程包括:南導流洞改建引水洞段、新建引水洞段、調壓井、地面廠房以及尾水渠、開關站等。擴機工程總裝機容量120 MW，安裝

2臺60 MW的軸流轉漿機組，額定水頭40 m。引水洞施工支洞封堵體布置于施工支洞與引水洞交叉段部位，樁號為ADIT 0+120.06 m ～ADIT 0+106.56 m，施工支洞開挖斷面尺寸為5.0 m ×6.5 m，原支護措施為噴C20混凝土，厚度為0.1 m，封堵體部位圍巖為Ⅲ類，封堵斷面尺寸為5.0 m×6.5 m，封堵段承受水頭為57.88 m。

2 設計資料和計算參數

2.1 結構簡圖

堵頭縱剖面見圖1。

圖1 施工支洞堵頭縱剖面圖（單位：樁號以m計，其余均以mm計）

2.2 設計工況

引水洞調壓井最高涌浪水位:1 040.37 m，壩前正常蓄水位:1 033.50 m，引水洞施工支洞開挖斷面面積:31.42 m2，引水洞施工支洞噴射10 cm混凝土后面積:29.82 m2，初擬封堵長度:13.5 m，襯砌后洞底高程:975.62 m，襯砌后洞頂高程:982.12 m，開挖洞底高程:975.62 m，開挖洞頂高程:982.22 m。設計工況見表1。

2.3 計算參數

封堵體C20混凝土，彈性模量取2.55×104N/mm2，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f'=1.0，c'=0.8 MPa;混凝土與圍巖之間 f'=0.85，c'=0.6 MPa。導流洞封堵段圍巖物理力學參數見表2。

表1 堵頭設計工況

表2 引水洞施工支洞封堵段圍巖物理力學參數

3 基本假定［3，4］

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)圍巖及堵頭內滲透水壓力和下游水壓力暫時不計。3)頂拱部位噴混凝土與堵頭混凝土之間是脫開的。4)把施工支洞10 cm噴射混凝土與封堵體混凝土的接觸面定義為潛在滑動面1，10 cm噴射混凝土與圍巖的接觸面定義為潛在滑動面2。

4 計算成果分析

4.1 可靠度理論

采用可靠度理論分別對滑動面1，2的穩定性進行計算分析，計算成果見表3。

表3 可靠度系數計算結果

從表3可以看出，對于持久狀況，潛在滑動面1，2的抗滑力與作用力比值分別為2.27和1.70，均大于1.32，封堵體處于安全狀態。對于偶然狀況，在校核洪水位情況時，潛在滑動面1，2的抗滑力與作用力比值分別為2.02和1.51，均大于1.122，封堵體處于安全狀態;在地震情況時，潛在滑動面1，2的抗滑力與作用力比值分別為2.17和1.62，均大于1.122，封堵體處于安全狀態，因此，封堵體的長度滿足封堵穩定要求且具有一定的安全余度。

通過抗滑力和作用力比值與抗滑穩定計算的K值做比值來確定最不利工況，對于滑動面1，2，正常蓄水位情況下比值分別為1.69，1.25，校核工況下的比值分別為 1.77，1.31，地震工況下的比值分別為1.90，1.41，從上述分析中可以看出正常蓄水位工況為最不利工況［1，2］。

4.2 有限元理論

有限元理論計算共劃分為251 024個網格，根據可靠度理論計算結果，選用正常蓄水位工況為最不利工況，對該工況進行了三維有限元驗證分析計算，網格模型見圖2。

圖2 有限元計算網格模型

4.2.1 滑動面1

1)封堵混凝土本體正應力和變形。

封堵體混凝土X向的正應力SX最大值達到了0.56 MPa，出現在邊墻中部偏下，小于C20混凝土的抗拉強度;Y向正應力SY最大值達到了0.75 MPa，出現在底板中部，小于C20混凝土的抗拉強度;Z向正應力SZ最大值達到了0.61 MPa，出現在底板中部，小于C20混凝土的抗拉強度，從應力的數值可以看出，封堵體所產生的拉應力均小于混凝土自身的抗拉強度。

封堵體混凝土的Z向變形都不是很大，最大的地方出現在迎水面進人孔門槽處，最大值達到了0.16 mm，這是由于封堵體進人孔閘門將水壓力傳遞給兩側門槽，使門槽向下游變形的緣故。

2)接觸面應力和變形。

封堵體混凝土與10 cm噴射混凝土接觸面X向的正應力SX最大值達到了0.73 MPa，出現在邊墻中部偏下，小于C20混凝土的抗拉強度;Y向正應力SY最大值達到了0.76 MPa，出現在頂拱中部，小于C20混凝土的抗拉強度;Z向正應力SZ最大值達到了1.67 MPa，出現在邊墻中部，大于C20混凝土的抗拉強度，由于Z向產生較大的拉應力，在封堵體迎水面的位置對封堵體混凝土與10 cm噴射混凝土切剖面發現剖面的最大應力為0.83 MPa，小于混凝土的抗拉強度，因此可以確定此處產生較大拉應力是由于90°拐角產生了應力集中問題，故從應力的數值可以看出，封堵體混凝土與10 cm噴射混凝土接觸面所產生的拉應力均小于混凝土自身的抗拉強度。

封堵體混凝土的Z向變形都不是很大，最大的地方出現在迎水面進人孔門槽處，最大值達到了0.16 mm，這是由于封堵體進人孔閘門將水壓力傳遞給兩側門槽，使門槽向下游變形的緣故。

4.2.2 滑動面2

1)封堵混凝土本體應力和變形。封堵體混凝土X向的正應力SX最大值達到了0.60 MPa，出現在邊墻中部偏下，小于C20混凝土的抗拉強度;Y向正應力SY最大值達到了0.75 MPa，出現在底板中部，小于C20混凝土的抗拉強度;Z向正應力SZ最大值達到了0.68 MPa，出現在邊墻與頂拱交匯處，小于C20混凝土的抗拉強度，從應力的數值可以看出，封堵體所產生的拉應力均小于混凝土自身的抗拉強度。

封堵體混凝土的Z向變形都不是很大，最大的地方出現在迎水面進人孔門槽處，最大值達到了0.16 mm，這是由于封堵體進人孔閘門將水壓力傳遞給兩側門槽，使門槽向下游變形的緣故。

2)接觸面應力和變形。封堵體混凝土與基巖接觸面X向的正應力SX最大值達到了0.60 MPa，出現在邊墻中部偏下，小于C20混凝土的抗拉強度;Y向正應力SY最大值達到了0.75 MPa，出現在底板中部，小于C20混凝土的抗拉強度;Z向正應力SZ最大值達到了0.68 MPa，出現在邊墻與頂拱交匯處，小于C20混凝土的抗拉強度，從應力的數值可以看出，封堵體混凝土與基巖接觸面所產生的拉應力均小于混凝土自身的抗拉強度。

封堵體混凝土的Z向變形都不是很大，最大的地方出現在迎水面進人孔門槽處，最大值達到了0.16 mm，這是由于封堵體進人孔閘門將水壓力傳遞給兩側門槽，使門槽向下游變形的緣故。

5 結語

通過可靠度理論對封堵體的分析計算，可以明確看出，封堵長度為13.5 m時，封堵體在三種工況下均能滿足堵頭穩定計算要求，同時利用三維有限元對堵頭長度進行了復核［5］，堵頭的應力及變形均滿足要求，因此，確定堵頭長度為13.5 m。

［1］權 鋒，郭紅彥.積石峽水電站導流洞堵頭穩定性分析［J］.水力發電，2011，37(11):87-88.

［2］楊靜安，郭紅彥.拉西瓦水電站導流洞堵頭結構與穩定分析［J］.電網與清潔能源，2008(11):71-75.

［3］甘文喜.水工隧洞堵頭設計探討［J］.人民長江，2011，32(5):34-36.

［4］許廣義.水電站導流洞堵頭結構穩定研究［D］.武漢:武漢大學，2006.

［5］林正偉，何江達，陳建康.水工隧洞用常規方法與有限元計算的差異［J］.四川水力發電，2003(6):80-83.