馬巖洞水電站樞紐建筑物力學性能研究

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 引 言

馬巖洞水電站位于重慶市彭水縣境內郁江中游河段，水庫正常蓄水位350.00m，總庫容0.45億m3。水電站樞紐由攔河壩、泄水建筑物、引水系統及地面廠房等組成。其中，攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高69m；泄水建筑物包含溢流表孔、左岸泄洪沖沙底孔；引水系統為一洞三機，包括進水口、引水隧洞、上游調壓室和壓力鋼管及岔管；發電廠房配備三臺22MW混流式水輪發電機，主廠房尺寸59.0m×19.5m×38.6m(長×寬×高)。

依據相關設計規范，大壩、泄水建筑物和電站進水口按50年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核。廠房按50年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核。工程永久性主要建筑物按3級建筑物設計，永久性次要建筑物按4級建筑物設計，臨時建筑物按5級建筑物設計。區域地震基本烈度為Ⅵ度，工程樞紐建筑物設計烈度均采用基本烈度，可不進行地震作用計算。

本文針對馬巖洞水電站設計中的壩體穩定復核、引水隧道結構計算、調壓井水力計算等技術問題展開分析，嚴格參照相關設計規范，依據工程實際勘察條件，給出了相應的解決措施。

2 壩體穩定復核

2.1 抗滑穩定分析

根據《混凝土重力壩設計規范》(SL319—2005)規定，壩基及壩體抗滑穩定應符合極限狀態計算公式：

(1)

式中γ0——結構重要性系數，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級結構分別取1.1、1.0、0.9，故本文取0.9；

ψ——設計狀況系數，對應于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況分別取1.0、0.95、0.85；

S——作用效應函數；

R——結構抗力函數；

GK——永久作用力標準值，kN；

QK——可變作用力標準值，kN；

γG——永久作用力分項系數，見表1；

γQ——可變作用力分項系數，見表1；

αK——幾何參數標準值，m；

fK——材料性能標準值；

γm——材料性能分項系數；

γd——結構系數，穩定極限狀態取1.2，抗壓強度極限狀態取1.8。

表1 作用分項系數取值

其中，作用效應函數：

S=∑PR

(2)

結構抗力函數：

R=fR∑WR+CRAR

(3)

式中 ∑PR——壩基面切向作用之和，kN；

∑WR——壩基面法向作用之和，kN；

fR——抗剪斷摩擦系數；

CR——抗剪斷黏聚力，kN；

AR——壩基面積，m2。

壩基處的抗滑穩定分析對壩體的穩定具有重要作用，本文分別取溢流壩、非溢流壩、泄洪沖沙底孔等壩段不同高程處斷面為計算典型，經抗滑穩定分析可知其穩定承載力的極限狀態，見表2。

表2 壩基抗滑穩定承載力極限狀態計算 (單位：kN)

注應力以壓為“+”，拉為“-”。

由表2計算結果中可見，非溢流壩和溢流壩沿建基面的作用效應值γ0ψS(·)均小于結構抗力值R(·)/γd1說明壩基抗滑穩定承載能力是滿足要求的。

2.2 抗壓強度分析

抗壓強度承載能力作用效應函數：

(4)

抗壓強度極限狀態抗力函數：

R=fC

(5)

或

R=fR

式中 ∑MR——壩基面形心的力矩和，kN·m；

JR——壩基面對形心軸的慣性矩，m4；

TR——壩基面形心軸至下游面距離，m；

n——壩體下游壩面坡度，°；

fC——混凝土抗壓強度，kPa；

fR——基巖抗壓強度，kPa。

馬巖洞水電站壩體混凝土容重為24kN/m3，泥沙按50年淤積高程計算，不同計算情況及計算水位見表3。

表3 計算情況及相應水位 (單位：m)

采用剛體極限平衡對壩體典型斷面進行壩基強度承載能力計算，不同計算工況下溢流壩、非溢流壩、泄洪沖沙底孔等壩段的抗壓強度承載力極限狀態見表4。

表4 壩基抗壓強度承載力極限狀態 (單位：kN/kPa)

注應力以壓為“+”，拉為“-”。

由以上可知，各種作用效應組合下壩踵垂直應力均未出現拉應力，且壩基垂直正應力最大值小于基巖的允許承載力和混凝土允許抗壓強度承載力。因此，壩基抗壓強度承載力極限狀態滿足相關規范要求。

2.3 碾壓混凝土層間抗滑穩定及壩體強度承載能力極限狀態分析

馬巖洞水電站碾壓混凝土壩壩體混凝土強度等級為C15，本文選取溢流壩段289.00m、309.00m、319.00m三個高程面和非溢流壩段320.00m、330.00m、340.00m三個高程面進行強度極限承載力計算。其中，抗剪斷指標取fk=0.9，CK=0.95。

計算分析中，選取作用效應函數：

S=∑PC

(6)

抗滑穩定抗力函數：

(7)

式中 ∑PC——計算層面上切向作用和，kN；

∑WC——計算層面上法向作用和，kN；

AC——計算層面面積，m2。

各高程碾壓層面的抗滑穩定承載能力極限狀態計算結果見表5。

經濟的發展依賴于交通事業的發展，道路的四通八達才能促進快速發展。在經濟飛速發展的今天，運輸和交流的不斷加強對道路的要求也越來越高。公路的舒適安全和暢通便捷，需要公路施工人員的不斷維修。設備在投入使用時，很多時候不是專業人員進行跟蹤使用的，而是公路施工人員進行的，因此在使用中就會出現不了解機械設備的情況，對設備在使用中的維護自然也做不到。其次單位在購買設備后，對于設備精通的人員較為缺乏，以及重視重大型機械設備而輕視小型機械設備的思想，在對機械設備的實際管理中，存在很大的弊端。

表5 層面抗滑穩定承載力極限狀態 (單位：kN)

由以上分析可知，碾壓混凝土層間抗滑穩定滿足相關要求。在選擇合理的施工方法和適當處理措施后，碾壓混凝土壩的層間結合抗剪斷強度指標滿足設計要求。

3 引水隧洞結構計算

引水隧洞為3級建筑物，引水隧洞內徑6.8m。整個隧洞穿越P1m、P1q、P1l、D3s、S2lr巖層，沿程最大埋深約300m，均位于完整巖石中，隧洞沿線都處于地下水位線以下，地下水位距洞頂最大距離110m左右。引水隧洞所經圍巖類別分別為Ⅲ～Ⅴ類圍巖，巖體單位彈性抗力系數為5～30MPa/cm。

a.計算工況和荷載組合。

正常運行工況：內水壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力。

檢修工況：外水壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力。

在計算中根據上游水位和調壓室涌浪水位推算出計算水頭；山巖壓力采用巖體塌落高度確定；外水壓力按地下水位線折減確定。

b.襯砌結構計算。

襯砌結構設計根據《水工隧洞設計規范》(SL279—2016)進行計算，根據實際開挖揭露地質情況，對圍巖地質參數進行折減。按正常使用極限狀態時，最大裂縫寬度允許值進行設計：長期組合按0.25mm設計，短期組合按0.30mm設計。

表6 引水隧洞結構計算

根據結構計算成果分析，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度50～80cm。引水隧洞在Ⅲ類圍巖地段采用單層筋5 22，在Ⅳ類圍巖地段結合隧洞承受壓力水頭采用單層或雙層筋5 25～6 25，局部Ⅴ類圍巖地段采用雙層筋6 28，均能滿足結構計算要求。

4 調壓井水力計算

4.1 穩定斷面面積

根據《水電站調壓室設計規范》(DL/T 5058—1996)，調壓室的穩定斷面面積按照托馬準則計算：

A=KAth=KLA1/[2g(α+1/2g)(H0-hw0-3hwm)]

(8)

式中Ath——托馬臨界穩定斷面面積，m2；

L——壓力引水道長度，取4973.354m；

A1——壓力引水道斷面面積，m2；

H0——發電最小靜水頭，m；

α——水庫至調壓室水頭損失系數，α=hw0/v2；

v——壓力引水道流速，m/s，v=Q/A1，Q=126.9m3/s；

hw0——壓力引水道水頭損失，取6.059m；

hwm——壓力管道水頭損失，取2.387m；

K——系數，一般取1.0～1.1。

由以上可知，A=264.48m2，故當調壓井直徑取19m時，A=283.53m2>264.48m2，滿足設計要求。

4.2 調壓井涌浪

a.丟棄負荷時最高涌浪。根據《水電站調壓室設計規范》(NBT 35021—2014)，按全部機組滿載運行瞬時丟棄全負荷時的工況計算最高涌浪：

(λ′|Zmax|-1)+ln(λ′|Zmax|-1)

(9)

式中Zmax——丟棄全負荷時的最高涌浪，m。

經計算，得出Zmax=21.33m，故調壓井最高涌浪水位為372.374m。

b.增加負荷時最低涌浪。根據規范要求，當負荷由兩臺機運行突增至滿載時，計算最低涌浪：

ε=LA1v02/(gAhw02)

(10)

m′=Q/Q0

式中ε——壓力水道-調壓室系統的特性系數；

Q——增加負荷前流量，m3/s；

Q0——增加負荷后流量，m3/s。

由以上可知，m′=0.5，ε=17.46，推得Zmin=23.54m，最低涌浪水位為332.248m。

5 結 語

馬巖洞水電站由攔河壩、泄水建筑物、引水隧洞、調壓井等組成，本文選取壩體穩定復核、引水隧洞結構計算、調壓井水力計算等關鍵技術問題進行研究。依據相關規程規范，對不同壩段、不同高程、不同工況下的壩體進行抗滑穩定分析、抗壓強度分析、承載力分析，得出壩體的穩定符合相關設計要求。同時，依據不同荷載組合情況，進行引水隧洞的襯砌結構計算，得出不同典型斷面的隧洞結構。依據托馬準則對調壓井的穩定斷面面積進行了校核，并對不同負荷狀態下的調壓井涌浪水位進行了計算。

工程長期運行監測表明，其勘察設計過程科學合理，壩基抗滑穩定承載能力滿足極限狀態要求，壩踵垂直應力始終未出現拉應力，壩基垂直應力最大值小于基巖和混凝土允許承載能力，碾壓混凝土層間抗滑穩定、抗剪強度滿足相關要求。通過設計過程計算分析，確定引水隧洞采用50～80cm混凝土襯砌，依據工程圍巖類別布設單層或雙層鋼筋，設定調壓井穩定斷面直徑及最高、最低涌浪水位，經綜合驗證其設計參數均符合工程安全運行要求。