拱壩建成前后對臨近導流洞襯砌的影響研究

摘要：導流洞是在水電站、大壩等建筑物施工期導流排水的隧洞，造價昂貴且施工復雜，所以一般后期會與永久隧洞結合起來使用，因此需要確保其在各個時期的安全穩定。通過研究分析拱壩修建前、拱壩修建完工、拱壩壩肩與壩基回填混凝土后、庫區正常運行4種工況下臨近壩體的導流洞附加應力的變化，得出了拱壩壩體建設以及運營前后各個階段對臨近導流洞襯砌安全穩定的影響情況，結論可以為其他類似工程的設計和優化提供一定的參考價值。

關鍵詞：導流洞；拱壩；附加應力；襯砌

StudyontheImpactofArchDamontheLiningofAdjacentDiversionTunnelsBeforeandAfterCompletion

ZHAOZhen1LIYuejiao2WANGBo3

1.YanglingVocationalandTechnicalCollege，YanglingCity，ShaanxiProvince，712100China;2.HeiheHuangzangTempleWaterConservancyHubProjectConstructionManagementCenter，LanzhouCity，GansuProvince，730000China;3.Hanjiang-to-WeiheRiverValleyWaterDiversionProjectConstructionCo.，Ltd.，ShaanxiProvince，Xi'anCity，ShaanxiProvince，710100China

Abstract：Diversiontunnelisatunnelfordiversionanddrainageduringtheconstructionperiodofhydropowerstations，damsandotherbuildings. Itisexpensiveandtheconstructioniscomplicated，soitisgenerallyusedincombinationwithpermanenttunnelsinthelaterstage.Soitisnecessarytoensureitssafetyandstabilityinvariousperiods.Throughthestudy，itanalyzesthechangesoftheadditionalstressofthediversiontunnelsadjacenttothedambodyunderfourworkingconditions：beforetheconstructionofthearchdam，afterthecompletionoftheconstructionofthearchdam，afterthebackfillingofconcreteonthearchdamshoulderandfoundation，duringthenormaloperationofthereservoirarea，theimpactoftheconstructionofthearchdambodyandeachstagebeforeandafteroperationonthesafetyandstabilityofadjacentdiversiontunnellininghasbeenobtained.Itprovidesacertainreferencevalueforthedesignandoptimizationofothersimilarprojects.

KeyWords：Diversiontunnel;Archdam;Additionalstress;Lining

導流洞是在河岸山體中開挖的用于施工期泄水的隧洞。我國山區水利樞紐工程較多，采用隧洞導流較為普遍。但隧洞開挖過程往往施工復雜且投資較大，所以導流洞一般盡量與永久隧洞相結合進行布置和設計。例如：為減少導流費用，節省工程投資，芒牙河水庫工程采取了導流隧洞與放空發電隧洞全結合形式[1]。同樣的，新寨水庫工程結合實際情況，將導流洞、放空建筑物、取水建筑物與生態流量下泄設施四者進行了結合布置[2]。導流洞作為一種高風險建筑物，若要后期與永久隧洞相結合使用，其結構設計標準和耐久性標準還需要結合工程的長遠規劃要求適當提高[3]，但洞身混凝土襯砌的施工增加了約束，不利于洞室應力釋放，易產生裂縫[4]。安全是工程建設的最重要目標[5]，因此，有必要預先考慮臨近大型建筑物對導流洞襯砌的影響情況，以確保各個時期內導流洞的安全穩定。

1研究資料

某拱壩水利樞紐工程導流洞位于壩址右岸，在原勘探實驗洞基礎上改建而成，設計的導流洞全長771.545m，其中進口引渠段長60m，洞身段長607.545m，出口涵洞段長56m，出口擴散段長38m。洞身為城門洞型，尺寸8m×11m。壩基段導流洞和拱壩建基面的最短垂直距離約為10.5m。

2有限元計算模型

采用ANSYS軟件進行建模。計算模型包括已開挖導流洞的基礎巖體、導流洞襯砌、拱壩壩體（分為壩肩、壩基未回填混凝土和已回填混凝土兩種情況）。地基底面為全約束，地基上、下游面和左右面為法向約束。整體計算模型采用8節點六面體實體單元Solid65模擬，整體計算模型如圖1所示，壩體及導流洞位置關系如圖2所示，導流洞襯砌如圖3所示。

3計算工況及荷載

本文旨在探究臨近大型建筑物對導流隧洞的影響情況，所以計算中只需要考慮壩體建成前后對導流洞襯砌的附加應力，因此荷載主要考慮壩體荷載，包括水壓力、溫度荷載、揚壓力、泥沙壓力、壩體自重，不考慮隧洞襯砌的圍巖壓力、構造應力、襯砌自重和內水壓力等[6]。

工況0：拱壩施工前，導流洞未受到拱壩的附加影響，不施加荷載。

工況1：拱壩壩體封頂，施加荷載包括壩體自重。

工況2：拱壩壩肩和壩基回填混凝土后施工完建，施加荷載包括壩體自重。

工況3：水庫正常蓄水位運行，施加荷載包括壩體自重、庫區正常蓄水位上下游靜水壓力、泥沙壓力、揚壓力。

4計算結果對比分析

4.1拱壩壩體施工前后對導流洞的影響研究

工況1計算結果顯示：導流洞襯砌的附加主拉應力位于導流洞靠近壩體部位頂拱，最大值為1.5MPa（圖4）；附加主壓應力較小，最大值為2.5MPa（圖5），位于導流洞襯砌靠近壩肩的頂拱。

以上計算結果表明：拱壩壩體的修建對導流洞襯砌的附加應力不容忽視，特別是附加拉應力。

4.2壩基回填混凝土前后對導流洞的影響研究

根據已建工程經驗，在拱壩計算模型壩肩上游添加直角邊長分別為2m、4m的三角形楔形體，壩肩下游添加直角邊長分別為2.8m、4m的三角形沿楔形體，用來模擬工況2壩肩和壩基回填混凝土后對導流洞的影響。

工況2計算結果顯示：導流洞襯砌的附加主拉應力位于導流洞靠近壩體部位頂拱，最大值為1.08MPa（如圖6所示）；附加主壓應力較小，最大值為2.84MPa（如圖7所示），位于導流洞襯砌靠近壩體部位的拱底。

將工況2計算結果與工況1計算結果相比較，可得出：拱壩壩肩和壩基回填混凝土后，拱壩壩體對導流洞襯砌的附加主拉應力值有所減小，但附加主拉力值略微有所增加。

4.3水庫正常運行前后對導流洞的影響研究

工況3計算結果顯示：導流洞襯砌附加主拉應力位于導流洞頂拱，最大值為1.09MPa（如圖8所示）；附加主壓應力最大值為4.45MPa（如圖9所示），位于導流洞近壩肩段側墻。

將工況3計算結果與工況2相比較，可得出：水庫正常的正常運行，對導流洞襯砌附加主拉應力影響不大，但會使附加主壓應力增大。

5結語

本文通過研究分析拱壩修建前、拱壩修建完工、拱壩壩肩與壩基回填混凝土后、庫區正常運行4種工況下臨近壩體的導流洞附加應力的變化情況，來分析其對導流洞的影響程度，得出了以下結論。

1. 拱壩壩體的修建對導流洞的安全穩定具有不利影響，對導流洞襯砌產生的附加應力不容忽視，特別是附加拉應力，因此在導流洞襯砌的設計過程中應當提前考慮到拱壩產生的影響。
2. 當拱壩壩肩和壩基回填混凝土后，拱壩壩體對導流洞襯砌的附加主拉應力值有所減小，減小幅度在20%以上。附加主壓應力值有所增加，但增加幅度不大，在10%左右，且主壓應力不是控制性應力。因此，拱壩壩肩和壩基回填混凝土是有利于導流洞襯砌安全穩定的。
3. 水庫正常運行前后，對導流洞襯砌附加主拉應力影響不大，但會使附加主壓應力增大，需要進行核算。

參考文獻：

• 石箭華，梅德波，張雄云.芒牙河水庫工程大壩施工導流設計[J].云南水力發電，2023，39（9）：181-186.
• 王瑞，曾樹元，張斌.貴州省新寨水庫導流洞綜合利用與封堵設計[J].水利水電快報，2021，42（8）：39-43.
• 姚福海，常作維，何偉，等.水電水利工程導流隧洞建設經驗總結與設計探討[J].水力發電，2023，49（1）：48-52.
• 梁金凱.導流隧洞工程質量管控措施研究——以鷹潭市花橋水利樞紐工程為例[J].建設監理，2024（4）：91-95.
• 李浪，向鵬.水利工程導流輸水隧洞施工過程危險源分析[J].人民珠江，2023，44（S1）：161-165，193.
• 吳文博，李守義，吳晨.拱壩對近壩肩導流洞結構襯砌的影響研究[J].水資源與水工程學報，2015，26（3）：202-204.