伊泰茲水電站引水洞施工支洞堵頭穩(wěn)定性分析

任小亮 葛瑤 孫斌

(1.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;2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710001)

1 工程概況

伊泰茲水電站位于贊比亞南方省丘莫市伊泰茲區(qū)，大壩位于贊比西河和凱福河交匯點(diǎn)上游295 km處，距離已建成的上凱福峽水電站230 km。伊泰茲大壩于1978年建成，是下游上凱福峽水電站的調(diào)節(jié)水庫(kù)，主要用于蓄水灌溉和凱福河流量管理，調(diào)節(jié)上凱福峽水電站的水力發(fā)電流量。大壩為心墻防滲土石壩，最大壩高65 m，正常蓄水位1 033.5 m，校核洪水位1 040.37 m。擴(kuò)機(jī)工程包括:南導(dǎo)流洞改建引水洞段、新建引水洞段、調(diào)壓井、地面廠房以及尾水渠、開(kāi)關(guān)站等。擴(kuò)機(jī)工程總裝機(jī)容量120 MW，安裝

2臺(tái)60 MW的軸流轉(zhuǎn)漿機(jī)組，額定水頭40 m。引水洞施工支洞封堵體布置于施工支洞與引水洞交叉段部位，樁號(hào)為ADIT 0+120.06 m ～ADIT 0+106.56 m，施工支洞開(kāi)挖斷面尺寸為5.0 m ×6.5 m，原支護(hù)措施為噴C20混凝土，厚度為0.1 m，封堵體部位圍巖為Ⅲ類(lèi)，封堵斷面尺寸為5.0 m×6.5 m，封堵段承受水頭為57.88 m。

2 設(shè)計(jì)資料和計(jì)算參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

堵頭縱剖面見(jiàn)圖1。

圖1 施工支洞堵頭縱剖面圖（單位：樁號(hào)以m計(jì)，其余均以mm計(jì)）

2.2 設(shè)計(jì)工況

引水洞調(diào)壓井最高涌浪水位:1 040.37 m，壩前正常蓄水位:1 033.50 m，引水洞施工支洞開(kāi)挖斷面面積:31.42 m2，引水洞施工支洞噴射10 cm混凝土后面積:29.82 m2，初擬封堵長(zhǎng)度:13.5 m，襯砌后洞底高程:975.62 m，襯砌后洞頂高程:982.12 m，開(kāi)挖洞底高程:975.62 m，開(kāi)挖洞頂高程:982.22 m。設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表1。

2.3 計(jì)算參數(shù)

封堵體C20混凝土，彈性模量取2.55×104N/mm2，泊松比0.167，容重24 kN/m3。混凝土與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'=0.85，c'=0.6 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 引水洞施工支洞封堵段圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3 基本假定［3，4］

1)堵頭混凝土與原襯砌混凝土為各向同性的線(xiàn)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)頂拱部位噴混凝土與堵頭混凝土之間是脫開(kāi)的。4)把施工支洞10 cm噴射混凝土與封堵體混凝土的接觸面定義為潛在滑動(dòng)面1，10 cm噴射混凝土與圍巖的接觸面定義為潛在滑動(dòng)面2。

4 計(jì)算成果分析

4.1 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 可靠度系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表3可以看出，對(duì)于持久狀況，潛在滑動(dòng)面1，2的抗滑力與作用力比值分別為2.27和1.70，均大于1.32，封堵體處于安全狀態(tài)。對(duì)于偶然狀況，在校核洪水位情況時(shí)，潛在滑動(dòng)面1，2的抗滑力與作用力比值分別為2.02和1.51，均大于1.122，封堵體處于安全狀態(tài);在地震情況時(shí)，潛在滑動(dòng)面1，2的抗滑力與作用力比值分別為2.17和1.62，均大于1.122，封堵體處于安全狀態(tài)，因此，封堵體的長(zhǎng)度滿(mǎn)足封堵穩(wěn)定要求且具有一定的安全余度。

通過(guò)抗滑力和作用力比值與抗滑穩(wěn)定計(jì)算的K值做比值來(lái)確定最不利工況，對(duì)于滑動(dòng)面1，2，正常蓄水位情況下比值分別為1.69，1.25，校核工況下的比值分別為 1.77，1.31，地震工況下的比值分別為1.90，1.41，從上述分析中可以看出正常蓄水位工況為最不利工況［1，2］。

4.2 有限元理論

有限元理論計(jì)算共劃分為251 024個(gè)網(wǎng)格，根據(jù)可靠度理論計(jì)算結(jié)果，選用正常蓄水位工況為最不利工況，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

4.2.1 滑動(dòng)面1

1)封堵混凝土本體正應(yīng)力和變形。

封堵體混凝土X向的正應(yīng)力SX最大值達(dá)到了0.56 MPa，出現(xiàn)在邊墻中部偏下，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度;Y向正應(yīng)力SY最大值達(dá)到了0.75 MPa，出現(xiàn)在底板中部，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度;Z向正應(yīng)力SZ最大值達(dá)到了0.61 MPa，出現(xiàn)在底板中部，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度，從應(yīng)力的數(shù)值可以看出，封堵體所產(chǎn)生的拉應(yīng)力均小于混凝土自身的抗拉強(qiáng)度。

封堵體混凝土的Z向變形都不是很大，最大的地方出現(xiàn)在迎水面進(jìn)人孔門(mén)槽處，最大值達(dá)到了0.16 mm，這是由于封堵體進(jìn)人孔閘門(mén)將水壓力傳遞給兩側(cè)門(mén)槽，使門(mén)槽向下游變形的緣故。

2)接觸面應(yīng)力和變形。

封堵體混凝土與10 cm噴射混凝土接觸面X向的正應(yīng)力SX最大值達(dá)到了0.73 MPa，出現(xiàn)在邊墻中部偏下，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度;Y向正應(yīng)力SY最大值達(dá)到了0.76 MPa，出現(xiàn)在頂拱中部，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度;Z向正應(yīng)力SZ最大值達(dá)到了1.67 MPa，出現(xiàn)在邊墻中部，大于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度，由于Z向產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，在封堵體迎水面的位置對(duì)封堵體混凝土與10 cm噴射混凝土切剖面發(fā)現(xiàn)剖面的最大應(yīng)力為0.83 MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此可以確定此處產(chǎn)生較大拉應(yīng)力是由于90°拐角產(chǎn)生了應(yīng)力集中問(wèn)題，故從應(yīng)力的數(shù)值可以看出，封堵體混凝土與10 cm噴射混凝土接觸面所產(chǎn)生的拉應(yīng)力均小于混凝土自身的抗拉強(qiáng)度。

封堵體混凝土的Z向變形都不是很大，最大的地方出現(xiàn)在迎水面進(jìn)人孔門(mén)槽處，最大值達(dá)到了0.16 mm，這是由于封堵體進(jìn)人孔閘門(mén)將水壓力傳遞給兩側(cè)門(mén)槽，使門(mén)槽向下游變形的緣故。

4.2.2 滑動(dòng)面2

1)封堵混凝土本體應(yīng)力和變形。封堵體混凝土X向的正應(yīng)力SX最大值達(dá)到了0.60 MPa，出現(xiàn)在邊墻中部偏下，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度;Y向正應(yīng)力SY最大值達(dá)到了0.75 MPa，出現(xiàn)在底板中部，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度;Z向正應(yīng)力SZ最大值達(dá)到了0.68 MPa，出現(xiàn)在邊墻與頂拱交匯處，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度，從應(yīng)力的數(shù)值可以看出，封堵體所產(chǎn)生的拉應(yīng)力均小于混凝土自身的抗拉強(qiáng)度。

封堵體混凝土的Z向變形都不是很大，最大的地方出現(xiàn)在迎水面進(jìn)人孔門(mén)槽處，最大值達(dá)到了0.16 mm，這是由于封堵體進(jìn)人孔閘門(mén)將水壓力傳遞給兩側(cè)門(mén)槽，使門(mén)槽向下游變形的緣故。

2)接觸面應(yīng)力和變形。封堵體混凝土與基巖接觸面X向的正應(yīng)力SX最大值達(dá)到了0.60 MPa，出現(xiàn)在邊墻中部偏下，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度;Y向正應(yīng)力SY最大值達(dá)到了0.75 MPa，出現(xiàn)在底板中部，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度;Z向正應(yīng)力SZ最大值達(dá)到了0.68 MPa，出現(xiàn)在邊墻與頂拱交匯處，小于C20混凝土的抗拉強(qiáng)度，從應(yīng)力的數(shù)值可以看出，封堵體混凝土與基巖接觸面所產(chǎn)生的拉應(yīng)力均小于混凝土自身的抗拉強(qiáng)度。

封堵體混凝土的Z向變形都不是很大，最大的地方出現(xiàn)在迎水面進(jìn)人孔門(mén)槽處，最大值達(dá)到了0.16 mm，這是由于封堵體進(jìn)人孔閘門(mén)將水壓力傳遞給兩側(cè)門(mén)槽，使門(mén)槽向下游變形的緣故。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)可靠度理論對(duì)封堵體的分析計(jì)算，可以明確看出，封堵長(zhǎng)度為13.5 m時(shí)，封堵體在三種工況下均能滿(mǎn)足堵頭穩(wěn)定計(jì)算要求，同時(shí)利用三維有限元對(duì)堵頭長(zhǎng)度進(jìn)行了復(fù)核［5］，堵頭的應(yīng)力及變形均滿(mǎn)足要求，因此，確定堵頭長(zhǎng)度為13.5 m。

［1］權(quán) 鋒，郭紅彥.積石峽水電站導(dǎo)流洞堵頭穩(wěn)定性分析［J］.水力發(fā)電，2011，37(11):87-88.

［2］楊靜安，郭紅彥.拉西瓦水電站導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2008(11):71-75.

［3］甘文喜.水工隧洞堵頭設(shè)計(jì)探討［J］.人民長(zhǎng)江，2011，32(5):34-36.

［4］許廣義.水電站導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2006.

［5］林正偉，何江達(dá)，陳建康.水工隧洞用常規(guī)方法與有限元計(jì)算的差異［J］.四川水力發(fā)電，2003(6):80-83.