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(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)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(zhǎng)660.0 m，其中非結(jié)合段長(zhǎng)117.0 m，結(jié)合段長(zhǎng)500.0 m，導(dǎo)流洞堵頭為1級(jí)永久建筑物，設(shè)計(jì)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(jì)算，并采用三維有限元計(jì)算方法對(duì)堵頭的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，從而確定堵頭的長(zhǎng)度。

1 設(shè)計(jì)資料和計(jì)算參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

堵頭為楔形體，堵頭縱剖面見(jiàn)圖1。

1.2 設(shè)計(jì)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(kāi)挖斷面面積190.06 m2，襯砌后面積140.49 m2，初擬封堵長(zhǎng)度40 m，襯砌后高程洞底1 778.00 m、 洞頂 1 793.00 m，開(kāi)挖洞底高程 1 777.00 m、洞頂高程1 794.00 m。設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表1。

圖1 導(dǎo)流洞堵頭縱剖面（單位：cm）

1.3 計(jì)算參數(shù)

襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25時(shí)，彈性模量取28.0 GPa，泊松比 0.167，容重 25 kN/m3； 強(qiáng)度等級(jí)為 C20 時(shí)，彈性模量取 25.5 GPa，泊松比 0.167，容重24 kN/m3?；炷僚c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(jiàn)表2。

表1 堵頭設(shè)計(jì)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(shí)不計(jì)。

（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(kāi)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(dòng)面①，襯砌混凝土與圍巖的接觸面定義為潛在滑動(dòng)面②。

3 計(jì)算成果分析

3.1 可靠度理論

采用可靠度理論分別對(duì)滑動(dòng)面①、②的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 可靠度計(jì)算結(jié)果

從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于持久工況，潛在滑動(dòng)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(duì)于偶然工況，在校核洪水位情況和地震情況時(shí)，潛在滑動(dòng)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(duì)滑動(dòng)面①、②的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 抗沖剪系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表4可以看出，對(duì)于持久工況，潛在滑動(dòng)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(duì)于偶然工況，在校核洪水位情況和地震情況時(shí)，潛在滑動(dòng)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(jì)算共劃分為84 302個(gè)網(wǎng)格，選用的是偶然工況下的地震情況，為最不利工況，對(duì)該工況進(jìn)行了三維有限元驗(yàn)證分析計(jì)算。網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。

圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

3.3.1 滑動(dòng)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(jì)算值可以看出，堵頭迎水面襯砌與圍巖接觸位置會(huì)脫開(kāi)，所以需要在堵頭的上游端面布置適當(dāng)?shù)匿摻顏?lái)防止混凝土拉裂，堵頭其他部位拉應(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(shí)，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(shuō)明堵頭在運(yùn)行過(guò)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(duì)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(huì)出現(xiàn)局部破壞現(xiàn)象。

3.3.2 滑動(dòng)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(shuō)明在堵頭運(yùn)行過(guò)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(duì)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(huì)產(chǎn)生局部破壞的危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)采用解析法和三維有限元方法對(duì)堵頭進(jìn)行分析計(jì)算后可以明確看出，抗沖剪理論計(jì)算的安全系數(shù)較大，可靠度理論計(jì)算的堵頭長(zhǎng)度最長(zhǎng)，因此，采用可靠度理論計(jì)算結(jié)果，堵頭長(zhǎng)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(jiàn)，堵頭長(zhǎng)度確定為50 m。

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