深厚覆蓋層下調(diào)壓井運行過程三維有限元分析

雷光宇韓霽昌黨發(fā)寧

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團陜西西安710075；2.西安理工大學(xué)陜西西安710048)

深厚覆蓋層下調(diào)壓井運行過程三維有限元分析

雷光宇1,2韓霽昌1黨發(fā)寧2

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團陜西西安710075；2.西安理工大學(xué)陜西西安710048)

本文運用三維有限元分析方法，對復(fù)雜地質(zhì)條件下的水電站調(diào)壓井的運行過程進行了分析研究。通過對調(diào)壓井結(jié)構(gòu)最高涌波水位、最低涌波水位、正常運行期水位、檢修期水位四種工況的受力及變形分析，得到各種工況下的最大應(yīng)力發(fā)生區(qū)，以及四種工況下最大應(yīng)力對比大小順序為檢修期、最低涌波水位、正常運行水、最高涌波水位。以期給類似工程提供施工參考。

水工結(jié)構(gòu)工程；調(diào)壓井；數(shù)值分析；運行工況

隨著我國大型水電站建設(shè)的展開,水電站調(diào)壓井結(jié)構(gòu)向著體形大型化，地質(zhì)條件多樣化，受力條件復(fù)雜化的方向發(fā)展[1]。壓井自身的結(jié)構(gòu)形式也日益復(fù)雜。如何對調(diào)壓井的體形結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計，使之同時滿足安全性和經(jīng)濟性的要求，是一個重要的課題[2]。

喜兒溝水電站位于甘肅省舟曲縣憨班鄉(xiāng)的白龍江干流上，是一座引水式電站，工程的任務(wù)是發(fā)電，樞紐主要建筑物包括：首部混凝土閘壩、發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井及壓力鋼管、電站廠房及開關(guān)站等。水電站調(diào)壓井布置在廠房背后的山坡上，上接引水隧洞，下接壓力管道，調(diào)壓井為阻抗式，頂部為敞開式。

該水電站調(diào)壓井施工，工程采用先開挖，后襯砌，分層開挖，分層襯砌的施工方法。調(diào)壓井采用鋼筋混凝土襯砌，襯厚1.5m。引水隧洞長約8394.9m，為有壓隧洞，洞徑為7.5m，設(shè)計引用流量141m3/s，壓力管道為無豎井的布置形式，調(diào)壓井后為壓力鋼管，主管長度為184.3m，直徑為5.8m，支管直徑為3.2m，岔管采用“卜”形，分別與三條進廠支管連接。本工程的調(diào)壓井布置有以下幾個特點：地質(zhì)條件差，上部為深厚覆蓋層，下部巖石為絹英千枚巖，圍巖破碎，呈薄狀結(jié)構(gòu)，完整性較差。因此有必要對調(diào)壓井的施工過程進行分析。本文利用ANSYS軟件的生死單元功能模擬調(diào)壓井的施工開挖過程，確定合理的開挖支護方案，計算得到不同工況下井壁的受力大小和分布，以期給出相應(yīng)的工程技術(shù)措施。

1 調(diào)壓井的工程地質(zhì)條件

調(diào)壓井位于廠房后邊坡Ⅳ級基座階地的前緣，地面高程約為1622.0m，調(diào)壓井處1554.0m高程以下為基巖，1554.0m高程以上為覆蓋層。覆蓋層厚度約68.2m，覆蓋層上半部為淡黃色粉土和塊碎石土，厚33.4m；下半部為沖洪積含漂石砂卵礫石層，厚34.8m。巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性較差，圍巖為Ⅳ類，微風(fēng)化巖體呈薄板狀結(jié)構(gòu)，完整性中等，圍巖為Ⅲ類，由于巖層傾角高陡，在施工過程中，井壁易產(chǎn)生坍塌破壞，應(yīng)及時采取錨固和混凝土襯砌措施。巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

2 有限元模型的建立及施工過程分析

本文假定沉井已經(jīng)施工完成，沉井及其維護結(jié)構(gòu)直接建在模型中。調(diào)壓井施工從已開挖的上游引水隧洞到達阻抗孔下方，自上而下完成井筒、阻抗孔的開挖，再進行圍巖支護，待開挖支護完成后自下而上進行混凝土襯砌，最后進行引水隧洞的襯砌。

表1 調(diào)壓井圍巖巖體力學(xué)參數(shù)建議值

2.1 計算模型及材料選取

根據(jù)地形地質(zhì)資料，建立了如圖1所示的整體模型，根據(jù)調(diào)壓井的平面布置圖，建立了如圖2所示的調(diào)壓井模型。三維計算模型中，為了消除邊界效應(yīng)，上下游方向各取200m，其中上游無地質(zhì)資料，且地層變化對調(diào)壓井受力影響不大，按現(xiàn)有地質(zhì)資料向上游平行延伸處理；下游方向按所給地質(zhì)資料建模。左右方向同樣各取200m，按所提供地質(zhì)資料建模，無地質(zhì)資料時用已有地質(zhì)資料向外平行延伸。計算域上部取至地表，下部取至標(biāo)高1430m處，模型總高度約200m。坐標(biāo)原點定在0.0m標(biāo)高平面與調(diào)壓井中軸線交點處。以引水隧洞軸線方向為y軸，指向上游為正；以垂直引水隧洞軸線的水平方向為x軸，指向左岸為正；以垂直方向為z軸，垂直向上為正。模型采用SOLID45單元進行劃分，錨桿采用LINK8單元劃分。模型共劃分了24626個節(jié)點104697個單元。模型邊界條件：四周側(cè)面的平面外移動和平面內(nèi)轉(zhuǎn)動為零，底部采用固定約束使底面的位移為零。材料全部按彈塑性考慮[3-5]。

圖1 整體有限元模型

圖2 調(diào)壓井有限元模型

2.2 調(diào)壓井運行期的有限元分析

2.2.1 計算方案

運行期各工況三維有限元數(shù)值分析時，假定沉井、調(diào)壓井下部滑?，F(xiàn)澆混凝土，阻抗孔、引水隧洞部分施工完成，因此調(diào)壓井阻抗孔引水隧洞部分及其維護結(jié)構(gòu)直接建在模型中。

調(diào)壓井運行期共設(shè)計了最高涌波水位1564.24m、最低涌波水位1517.07m、運行水位1531.42m以及放空檢修四種工況，主要研究施加水荷載后調(diào)壓井系統(tǒng)運行的受力變形及運行安全。

2.2.2 計算結(jié)果分析

（1）調(diào)壓井最高涌波水位1564.24m時數(shù)值模擬

本工況計算時，高程1564.24m以下的沉井、調(diào)壓井、阻抗孔以及引水隧洞內(nèi)壁部分全部加靜水壓力進行計算。

就調(diào)壓井上部沉井的襯砌來分析，由于本工況調(diào)壓井水位高于沉井刃腳約11.24m，所以在沉井襯砌的內(nèi)表面的下部作用有內(nèi)水壓力，該部分內(nèi)水壓力與襯砌外表面的部分土壓力相抵消，使得沉井的受力有所減少。再分析調(diào)壓井、阻抗孔的受力與位移變化，由于調(diào)壓井、阻抗孔襯砌內(nèi)全部作用有內(nèi)水壓力，內(nèi)水壓力作用的后果使得調(diào)壓井、阻抗孔的最大應(yīng)力和最大位移均有所減小，而且越靠近底部，內(nèi)水壓力越大，內(nèi)水壓力抵消掉的土壓力越大，最大應(yīng)力和最大位移的減小量也越大。

（2）調(diào)壓井最低涌波水位1517.07m時數(shù)值模擬

本工況計算時，高程1517.07m以下的沉井、調(diào)壓井、阻抗孔以及引水隧洞內(nèi)壁部分全部加靜水壓力進行計算。

分析沉井、調(diào)壓井襯砌的受力與位移，由于本工況調(diào)壓井涌波水為1517.07m，低于沉井刃腳高程1553.00m約35.93m，也低于調(diào)壓井頂部高程但高于調(diào)壓井底部高程約1.00m，所以，本工況時沉井襯砌和調(diào)壓井襯砌上的受力與變形與竣工期時基本相同。阻抗孔上的受力和位移變化，由于阻抗孔襯砌內(nèi)表面處作用有內(nèi)水壓力，內(nèi)水壓力與襯砌外表面的部分土壓力相抵消，襯砌的受力更加合理，使得阻抗孔的水平與垂直方向的力均有所減小。同時它的位移量也有所減小。

（3）調(diào)壓井運行水位1531.42m時數(shù)值模擬

本工況計算時，高程1531.42m以下的沉井、調(diào)壓井、阻抗孔以及引水隧洞內(nèi)壁部分全部加靜水壓力進行計算。

由于本工況調(diào)壓井正常運行水位為1531.42m，低于調(diào)壓井頂部高程1554.5m但高于調(diào)壓井底部高程1516.00m，內(nèi)水壓力作用在調(diào)壓井系統(tǒng)襯砌的內(nèi)表面，內(nèi)水壓力與襯砌外表面的部分土壓力相抵消，襯砌的受力更加合理，使得受到水壓力作用的襯砌表面處的水平與垂直方向應(yīng)力均有所減小。與應(yīng)力的變化規(guī)律相對應(yīng)，受有水壓力作用的襯砌表面的水平與垂直方向的位移量也有所減小。所以，本工況時沉井襯砌上的受力與變形與竣工期時基本相同，調(diào)壓井襯砌底部的受力與變形與竣工期時相比略有減小，阻抗孔襯砌應(yīng)力和變形的減小量稍大，引水隧洞襯砌的應(yīng)力和變形有較大的減小。

（4）調(diào)壓井檢修時數(shù)值模擬

本工況計算時，調(diào)壓井運行水位1531.42m高程以下的沉井、調(diào)壓井、阻抗孔以及引水隧洞襯砌外壁部分全部加靜水壓力進行計算。調(diào)壓井洞室系統(tǒng)內(nèi)的水位全部放空，但該工況與調(diào)壓井洞室系統(tǒng)竣工期沒有蓄水前的情況不同，由于調(diào)壓井長期在高水位下工作，加之水庫蓄水改變了山體中的地下水位線，檢修期時洞室襯砌系統(tǒng)除承受山體的土壓力作用外，還將承受地下水位線以下的水壓力，因此，該工況是調(diào)壓井襯砌系統(tǒng)運行期中受力最不利的工況。調(diào)壓井檢修時計算結(jié)果見表2。

表2 調(diào)壓井引水系統(tǒng)檢修期各部位的受力與變形計算結(jié)果

由表2可以看出，調(diào)壓井、阻抗孔的位移、應(yīng)力值均較竣工期有所增加，調(diào)壓井、阻抗孔X向的應(yīng)力也基本左右對稱，X向的最大應(yīng)力均發(fā)生在井孔的上下游方向兩側(cè)，井孔壁處X向的應(yīng)力隨深度的增加而增大。其中，調(diào)壓井橫河X向的壓（拉）應(yīng)力最大值由竣工期時的-0.07（0）MPa增加至-1.26（-0. 08）MPa，阻抗孔橫河X向的壓（拉）應(yīng)力最大值由竣工期時的-0.03（0.02）MPa增加至-1.82（0.09）MPa。調(diào)壓井、阻抗孔順河Y向的應(yīng)力基本上下（指上下游方向）對稱，Y向的最大應(yīng)力均發(fā)生在井孔的左右岸方向兩側(cè)，Y向的應(yīng)力隨深度的增加而增大。其中，調(diào)壓井順河Y向的壓（拉）應(yīng)力最大值由竣工期時的-0.07（0）MPa增加至-1.04（0.07）MPa，阻抗孔順河Y向的壓（拉）應(yīng)力最大值由竣工期時的-0.03（0.03）MPa增加至-1.04（0.2）MPa。調(diào)壓井垂直Z向的壓（拉）應(yīng)力最大值由竣工期時的-0.05（0）MPa增加至-2.7（0.11）MPa，阻抗孔垂直Z向的壓（拉）應(yīng)力最大值由竣工期時的-0.05（0.01）MPa增加至-2.47（-0.03）MPa。

3 結(jié)語

（1）本文的研究證實了利用有限元進行調(diào)壓井的運行模擬的可行性，該分析對于指導(dǎo)復(fù)雜地質(zhì)條件下調(diào)壓井的運行，具有較高的實用價值。

（2）本文證實了調(diào)壓井在運行過程中，井壁應(yīng)力大小順序為檢修期＞施工期＞最低涌波水位＞正常運行水＞最高涌波水位。

（3）通過對調(diào)壓井各工況下的應(yīng)力和變形的分析可知,調(diào)壓井井身襯砌沒有發(fā)生開裂，但是有些局部地方的拉應(yīng)力比較大，可以考慮在這些部位加鋼筋，以防止裂紋的產(chǎn)生。陜西水利

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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