積石峽水電站導流洞堵頭穩定性分析

權 鋒，郭紅彥

（中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065）

積石峽水電站采用全年圍堰擋水、導流隧洞和泄洪排沙底孔導流、基坑全年施工的導流方式。導流洞與中孔泄洪洞采用 “龍抬頭”的方式結合，導流洞總長660.0 m，其中非結合段長117.0 m，結合段長500.0 m，導流洞堵頭為1級永久建筑物，設計標準與大壩相同，擋水水頭80.0 m。在永久建筑物具備下閘條件、導流洞利用鋼閘門下閘封堵之后，進行導流洞永久堵頭的施工。為了研究堵頭的穩定性，本文主要采用了兩種解析法進行計算，并采用三維有限元計算方法對堵頭的穩定性進行復核，從而確定堵頭的長度。

1 設計資料和計算參數

1.1 結構簡圖

堵頭為楔形體，堵頭縱剖面見圖1。

1.2 設計工況

校核洪水位 1 860.40 m，正常蓄水位 1 856.00 m，導流洞開挖斷面面積190.06 m2，襯砌后面積140.49 m2，初擬封堵長度40 m，襯砌后高程洞底1 778.00 m、 洞頂 1 793.00 m，開挖洞底高程 1 777.00 m、洞頂高程1 794.00 m。設計工況見表1。

圖1 導流洞堵頭縱剖面（單位：cm）

1.3 計算參數

襯砌混凝土強度等級為C25時，彈性模量取28.0 GPa，泊松比 0.167，容重 25 kN/m3； 強度等級為 C20 時，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f′=1.0，c′=0.8 MPa； 混凝土與圍巖之間 f′=0.65，c′=0.45 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 導流洞封堵段圍巖物理力學參數

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）圍巖及堵頭內滲透水壓力和下游水壓力暫時不計。

（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的。

（4）把導流洞襯砌混凝土與堵頭混凝土的接觸面定義為潛在滑動面①，襯砌混凝土與圍巖的接觸面定義為潛在滑動面②。

3 計算成果分析

3.1 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 可靠度計算結果

從表3的計算結果可以看出，對于持久工況，潛在滑動面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；對于偶然工況，在校核洪水位情況和地震情況時，潛在滑動面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。

3.2 抗沖剪理論

采用抗沖剪理論分別對滑動面①、②的穩定性進行計算分析，計算成果見表4。

表4 抗沖剪系數計算結果

從表4可以看出，對于持久工況，潛在滑動面①、②的平均剪應力均小于0.2 MPa，堵頭處于安全狀態；對于偶然工況，在校核洪水位情況和地震情況時，潛在滑動面①、②的平均剪應力均小于0.3 MPa，表明堵頭處于安全狀態。

3.3 有限元理論

有限元理論計算共劃分為84 302個網格，選用的是偶然工況下的地震情況，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

3.3.1 滑動面①

（1）堵頭混凝土本體應力和變形。堵頭混凝土第一主應力從數值上看整體不大，僅局部出現較大的拉應力，最大值達到3.0 MPa，大于C20混凝土的抗拉強度。堵頭水平向應力SX最大值達到2.5 MPa，出現在邊墻部位，大于C20混凝土的抗拉強度。堵頭豎向應力SY最大值達到1.5 MPa，出現在邊墻部位，大于C20混凝土的抗拉強度。堵頭襯砌的水流向應力SZ最大值達到1.1 MPa，出現在拱座及邊墻部位，接近C20混凝土的抗拉強度。從應力的計算值可以看出，堵頭迎水面襯砌與圍巖接觸位置會脫開，所以需要在堵頭的上游端面布置適當的鋼筋來防止混凝土拉裂，堵頭其他部位拉應力大都小于混凝土的抗拉強度。堵頭混凝土的第三主應力最大壓應力達到1.5 MPa，出現在邊墻及拱座位置，但小于C20混凝土的抗壓強度。堵頭混凝土的水流向變形都不是很大，最大值出現在迎水面堵頭中心位置，達0.4 mm，這是由于堵頭受水壓力作用向下游變形的緣故。

（2）接觸面法向應力SX和SY。在頂拱部位中部附近出現應力集中，SX最大拉應力達到0.91 MPa，SY最大拉應力達到0.68 MPa，同時，在底板中部附近也出現應力集中，SX和SY最大拉應力達到0.83～0.74 MPa，其他部位全部為壓應力，說明堵頭在運行過程中，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）接觸面水流向應力SZ。堵頭體順水流向應力SZ均為壓應力，且數值較小，遠低于混凝土的抗壓強度，不會出現局部破壞現象。

3.3.2 滑動面②

（1）堵頭混凝土本體應力和變形。堵頭混凝土第一主應力從數值上看整體較小，僅局部出現了拉應力，最大值達到0.7 MPa，小于C20混凝土的抗拉強度。堵頭水平向應力SX和豎向應力SY最大值均達到0.1 MPa，出現在頂拱部位，小于C20混凝土的抗拉強度。堵頭水流向應力SZ最大值達到0.3 MPa，出現在頂拱部位，小于C20混凝土的抗拉強度。其他部位均為壓應力。堵頭混凝土的水流向變形都不是很大，位移最大值出現在迎水面堵頭中心，達0.7 mm，這是由于堵頭受水壓力作用向下游變形的緣故。

（2）接觸面法向應力SX和SY。在頂拱部位中部附近出現應力集中，SX最大拉應力達到0.10 MPa，SY最大拉應力達到0.23 MPa，其他部位全部為壓應力，說明在堵頭運行過程中，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）接觸面水流向應力SZ。順水流向應力SZ均為壓應力，其值較小，僅在迎水面頂拱部位出現了較大的壓應力，但遠低于混凝土的抗壓強度，不會產生局部破壞的危險。

4 結論

通過采用解析法和三維有限元方法對堵頭進行分析計算后可以明確看出，抗沖剪理論計算的安全系數較大，可靠度理論計算的堵頭長度最長，因此，采用可靠度理論計算結果，堵頭長度初步定為40 m，但考慮到積石峽水電站導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，堵頭長度確定為50 m。

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