張 超，肖 明 礫2，張 有 山，程 保 根，王 永 剛

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

1 研究背景

高壩水電站導(dǎo)流洞封堵事關(guān)水電工程的安全和發(fā)電效益，是工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)導(dǎo)流洞堵頭的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究具有重要意義。眾多學(xué)者和工程師在該領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛且深入的研究。蘇凱等通過(guò)引入有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)導(dǎo)流洞永久堵頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析[1]。楊靜安等探討了結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)對(duì)水工隧洞堵頭穩(wěn)定性的影響[2]。權(quán)峰等采用三維有限元方法對(duì)積石峽水電站導(dǎo)流洞永久堵頭進(jìn)行了穩(wěn)定分析[3]。董志宏等采用超載安全系數(shù)法對(duì)構(gòu)皮灘導(dǎo)流洞堵頭穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析與綜合評(píng)價(jià)[4]。楊陽(yáng)等基于彈塑性損傷有限元法，探討了考慮堵頭接觸面脫開(kāi)的導(dǎo)流洞堵頭穩(wěn)定計(jì)算分析方法[5]。汪魁等基于ANSYS軟件平臺(tái)，對(duì)導(dǎo)流洞永久堵頭的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了全面分析，并探討了堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素[6]。

近年來(lái)，部分高壩水電工程施工具備提前發(fā)電的條件[7]，相應(yīng)提出了導(dǎo)流洞快速封堵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，堵頭結(jié)構(gòu)和封堵工況等均具有新的特性。但是，水利行業(yè)規(guī)范《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279-2016)剛頒布不久[8]，關(guān)于導(dǎo)流洞堵頭穩(wěn)定性計(jì)算分析方法并未形成統(tǒng)一的共識(shí)。因此，結(jié)合高壩水電工程實(shí)踐，采用不同的計(jì)算分析方法對(duì)導(dǎo)流洞快速封堵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和綜合評(píng)價(jià)意義重大。

猴子巖水電站[9]為目前世界第二高面板堆石壩工程，最大壩高223.5 m。電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣孔玉鄉(xiāng)，工程開(kāi)發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電。樞紐建筑物主要由攔河壩、兩岸泄洪及放空洞、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。水庫(kù)正常蓄水位1 842.00 m，死水位1 802.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容3.87億m3，具有季調(diào)節(jié)性能。電站總裝機(jī)容量1 700 MW。2015年4月，業(yè)主根據(jù)工程實(shí)際施工情況，提出“猴子巖水電站2016年汛后導(dǎo)流洞下閘，2016年底首臺(tái)機(jī)組具備投產(chǎn)發(fā)電條件”的建設(shè)目標(biāo)。通過(guò)下閘蓄水規(guī)劃[9]、導(dǎo)流洞封堵專題[10]等系列研究，經(jīng)多方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，最終優(yōu)選“永臨結(jié)合封堵方案”，并計(jì)劃安排在2016年10月上中旬下閘第一條導(dǎo)流洞，11月上旬下閘第二條導(dǎo)流洞，水庫(kù)開(kāi)始蓄水。鑒于此，本文針對(duì)猴子巖水電站導(dǎo)流洞快速封堵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，采用3種計(jì)算方法對(duì)導(dǎo)流洞堵頭穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析與綜合評(píng)價(jià)，旨在為工程提前蓄水發(fā)電的順利實(shí)施提供理論依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)方案和計(jì)算方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

猴子巖導(dǎo)流洞采用“永臨結(jié)合堵頭方案”。此方案設(shè)臨時(shí)堵頭，利用臨時(shí)堵頭擋導(dǎo)流洞下閘后臨時(shí)擋水位1 775.00 m，受永久堵頭第一段澆筑時(shí)機(jī)的制約，蓄水至1 802.00 m高程時(shí)永久堵頭第一段可能僅澆筑至第二層，則臨時(shí)堵頭與永久堵頭的第一段已澆筑封堵體，聯(lián)合擋初期發(fā)電極限死水位1 802.00+5.00 m；永久堵頭單獨(dú)承載滿足電站永久運(yùn)行安全要求。兩條導(dǎo)流洞圍巖條件相同，以控制蓄水時(shí)間的2號(hào)導(dǎo)流洞為例開(kāi)展結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析研究，其封堵堵頭結(jié)構(gòu)由臨時(shí)堵頭和永久堵頭組成，計(jì)算工況如表1所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

表1 計(jì)算工況Tab.1 Calculation conditions

圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(單位：cm)Fig.1 Structure diagram

2.2 計(jì)算方案

2.2.1計(jì)算方法

導(dǎo)流洞堵頭長(zhǎng)度采用電力行業(yè)規(guī)范推薦的分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法[11]進(jìn)行計(jì)算，然后，采用水利行業(yè)規(guī)范推薦的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)法[8]進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核；最后，采用三維有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)極限抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算校核，并對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.2.2計(jì)算假定

計(jì)算基本假定為：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)滲透水壓力暫時(shí)不計(jì)，堵頭下游面無(wú)水壓力。

2.2.3計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)和導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)的混凝土材料分區(qū)，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)賦值，堵頭洞段主要為Ⅲ2類圍巖，堵頭材料為C20混凝土，襯砌材料為C25鋼筋混凝土。主要圍巖及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，接觸面力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 材料力學(xué)參數(shù)Tab.2 Material mechanical parameters

表3 接觸面力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of contact surface

考慮封堵期與運(yùn)行期受庫(kù)水位上升的影響，其庫(kù)岸山體浸潤(rùn)線高于導(dǎo)流洞洞頂高程，即襯砌及堵頭混凝土均位于浸潤(rùn)區(qū)內(nèi)。因此，堵頭自重+揚(yáng)壓力荷載的綜合作用可簡(jiǎn)化為襯砌及堵頭混凝土容重采用浮容重時(shí)的自重作用。

各工況界面接觸系數(shù)取值如下。

對(duì)于工況①，臨時(shí)堵頭由于采用連續(xù)澆筑工藝，無(wú)通水冷卻，無(wú)接縫灌漿，故堵頭/襯砌滑動(dòng)面考慮頂拱脫開(kāi)，邊墻接觸面積乘以折減系數(shù)1/3，底板考慮全接觸；襯砌/圍巖滑動(dòng)面考慮頂拱脫開(kāi)，邊墻底板全接觸。

對(duì)于工況②，受永久堵頭第一段澆筑時(shí)機(jī)的制約，蓄水至1 802 m高程時(shí)永久堵頭第一段可能僅澆筑至第二層(即厚度6 m)。此時(shí)，由臨時(shí)堵頭與永久堵頭第一段已澆筑部分聯(lián)合擋初期運(yùn)行工況1 802.00+5.00 m水位。臨時(shí)堵頭的堵頭/襯砌滑動(dòng)面頂拱部位按脫開(kāi)考慮，邊墻接觸面積乘以折減系數(shù)1/3，底板滑動(dòng)面按全接觸考慮；襯砌/圍巖滑動(dòng)面考慮頂拱脫開(kāi)，邊墻底板全接觸。永久堵頭的堵頭/襯砌滑動(dòng)面頂拱與邊墻部位均按脫開(kāi)考慮，底板按全接觸考慮；襯砌/圍巖滑動(dòng)面考慮頂拱脫開(kāi)，邊墻底板按臨時(shí)堵頭及永久堵頭第一段澆筑部分全接觸考慮。

對(duì)于工況③、④、⑤，兩段永久堵頭聯(lián)合擋水。兩段堵頭的堵頭/襯砌滑動(dòng)面均考慮頂拱脫開(kāi)，堵頭/襯砌滑動(dòng)面邊墻接觸面積乘以折減系數(shù)0.25，底板滑動(dòng)面按全接觸考慮；襯砌/圍巖滑動(dòng)面考慮頂拱脫開(kāi)，邊墻底板全接觸。

3 成果及評(píng)價(jià)

3.1 分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

采用分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法計(jì)算堵頭所需最短長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 堵頭長(zhǎng)度計(jì)算成果Tab.4 The calculation results of plug length

注：S為作用效應(yīng)函數(shù)；R為抗力函數(shù)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1；設(shè)計(jì)狀況系數(shù)為ψ，持久狀況取1.0，偶然狀況取0.85；結(jié)構(gòu)重要系數(shù)γd=1.5。

根據(jù)計(jì)算成果，結(jié)合高壩封堵工程的經(jīng)驗(yàn)，并考慮一定安全裕度，初擬臨時(shí)堵頭長(zhǎng)度為20 m，第一段永久堵頭長(zhǎng)度20 m，第二段永久堵頭20 m。接著，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

3.2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)法

采用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)法計(jì)算得到各工況抗滑穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核成果如表5所示。計(jì)算成果表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)K均大于3.0，導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計(jì)長(zhǎng)度滿足穩(wěn)定要求。

3.3 三維有限元法

根據(jù)上述計(jì)算成果，導(dǎo)流洞堵頭永久運(yùn)行的控制工況為工況③。因此，主要針對(duì)工況①、②、③開(kāi)展結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算分析。

表5 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果Tab.5 The calculation results of anti-sliding stability

3.3.1有限元模型

選取兩條導(dǎo)流洞永久堵頭為研究對(duì)象，計(jì)算模型范圍鉛直向底部取至1 600 m，頂部延伸至地表，垂直于洞軸線方向長(zhǎng)度為300 m，沿洞軸線方向長(zhǎng)度為352 m。計(jì)算坐標(biāo)系定義為：X軸為水平垂直于導(dǎo)流洞軸線方向，Y軸為導(dǎo)流洞軸線方向，Z軸鉛直向上。巖土體材料、混凝土材料采用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元。導(dǎo)流洞堵頭三維有限元模型網(wǎng)格如圖2所示，整個(gè)計(jì)算域共剖分單元609 994個(gè)，節(jié)點(diǎn)603 254個(gè)。

圖2 導(dǎo)流洞堵頭三維有限元模型Fig.2 Three dimensional finite element model of diversion tunnel plug

3.3.2極限抗滑穩(wěn)定分析

采用三維有限元法進(jìn)行極限抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，假定堵頭結(jié)構(gòu)底面與襯砌結(jié)構(gòu)全粘結(jié)，頂拱和邊墻部位與襯砌混凝土處于接觸或脫開(kāi)兩種不同接觸狀態(tài)。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，提取堵頭/襯砌接觸面和襯砌/圍巖接觸面的法向力和切向力。根據(jù)公式復(fù)核堵頭的穩(wěn)定性，其中作用效應(yīng)函數(shù)和抗力函數(shù)可表示為

Sz=∑Ti

(1)

Rk=fR∑Ni+CRAR

(2)

式中，∑Ti為接觸面上的切向滑動(dòng)力之和，kN；∑Ni為接觸面上的法線力之和，kN；fR為接觸面摩擦系數(shù)；CR為接觸面凝聚力，kPa；AR為接觸面的有效接觸面積，m2。

通過(guò)三維有限元法對(duì)3種工況下堵頭的極限抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，結(jié)果如表6所示，可以看出各工況下的堵頭/襯砌、襯砌/圍巖滑動(dòng)面均能滿足極限抗滑穩(wěn)定規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

表6 極限抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果Tab.6 Calculation results of ultimate anti-sliding stability

注：結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ=1.0，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)γd=1.5。

3.3.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析

(1) 工況①。 堵頭結(jié)構(gòu)的大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力狀態(tài)，整體上呈現(xiàn)出往下游遞減的規(guī)律，極值為3.83 MPa，出現(xiàn)在上游迎水面邊墻與頂拱接觸部位；小主應(yīng)力從上游迎水面往下游面逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，堵頭下游面出現(xiàn)鼓起效應(yīng)，基本呈現(xiàn)受拉狀態(tài)；堵頭沿洞軸線方向的位移從上游往下游逐漸減小，最大值為0.10 cm，位于上游迎水面頂部。

襯砌結(jié)構(gòu)中大主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力狀態(tài)，分布規(guī)律是從上游往下游逐漸減小，其量值遠(yuǎn)小于襯砌抗壓強(qiáng)度；小主應(yīng)力中拉應(yīng)力區(qū)域分布范圍較廣，但總體量值相對(duì)較低，其中襯砌拉應(yīng)力量值基本小于抗拉強(qiáng)度，由于考慮此處襯砌存在拉裂縫，下游面襯砌與圍巖接觸部位局部拉應(yīng)力相對(duì)較大，極值為-1.33 MPa，超過(guò)襯砌抗拉強(qiáng)度-1.27 MPa，但是此拉應(yīng)力集中區(qū)域范圍相對(duì)較小，考慮襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋能夠承受部分拉應(yīng)力，此處發(fā)生裂縫可能性不大。

(2) 工況②。 由于永久堵頭第一段第一、二層澆筑后，堵頭/襯砌及襯砌/圍巖底面及邊墻部位接觸面積顯著增大，提高了堵頭凝聚力量值，同時(shí)永久堵頭第一段第一、二層自重作用也相應(yīng)提高了摩擦力量值，因此堵頭/襯砌、襯砌/圍巖滑動(dòng)面均能滿足規(guī)范極限抗滑承載能力規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

堵頭結(jié)構(gòu)的大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力狀態(tài)，整體上呈現(xiàn)出往下游遞減的規(guī)律，極值為3.87 MPa(見(jiàn)圖3，壓正拉負(fù))，出現(xiàn)在上游迎水面邊墻與頂拱接觸部位，臨時(shí)堵頭與永久堵頭第一段接觸部位大主應(yīng)力極值1.04 MPa(見(jiàn)圖4)，出現(xiàn)在永久堵頭第一段第二層頂部中點(diǎn)部位；小主應(yīng)力從上游迎水面往下游面逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，堵頭下游面出現(xiàn)鼓起效應(yīng)基本呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，邊墻與頂拱接觸部位出現(xiàn)小范圍應(yīng)力集中并迅速向四周衰減；堵頭沿洞軸線方向位移從上游往下游逐漸減小，最大值為0.19 cm，位于上游迎水面頂部。

圖3 堵頭橫剖面大、小主應(yīng)力(單位：MPa)Fig.3 Major and minor principal stress of plug cross section

襯砌結(jié)構(gòu)中大主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力狀態(tài)，分布規(guī)律是從上游往下游逐漸減小，極值為2.54 MPa，遠(yuǎn)小于襯砌抗壓強(qiáng)度；小主應(yīng)力中拉應(yīng)力區(qū)域分布范圍較廣，但總體量值相對(duì)較低，其中襯砌拉應(yīng)力量值基本小于抗拉強(qiáng)度，由于考慮頂拱脫開(kāi)，邊墻與頂拱接觸部位局部拉應(yīng)力相對(duì)較大，極值為-1.14 MPa，未超過(guò)襯砌抗拉強(qiáng)度-1.27 MPa，且拉應(yīng)力集中區(qū)域范圍相對(duì)較小，考慮襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋能夠承受部分拉應(yīng)力，此處發(fā)生拉裂可能性不大。

(3) 工況③ 。 堵頭結(jié)構(gòu)的大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力狀態(tài)，整體上呈現(xiàn)出往下游遞減的規(guī)律，極值為4.05 MPa，出現(xiàn)在上游迎水面邊墻與頂拱接觸部位；小主應(yīng)力從上游迎水面往下游面逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，堵頭下游面出現(xiàn)鼓起效應(yīng)基本呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，邊墻與頂拱接觸部位出現(xiàn)小范圍的應(yīng)力集中并迅速向四周衰減；堵頭沿洞軸線方向位移從上游往下游逐漸減小，最大值為0.22 cm，位于上游迎水面頂部。

圖4 堵頭縱剖面大、小主應(yīng)力(單位：MPa)Fig.4 Major and minor principal stress of plug longitudinal profile

襯砌結(jié)構(gòu)中大主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，分布規(guī)律從上游往下游逐漸減小，極值為3.61 MPa，遠(yuǎn)小于襯砌抗壓強(qiáng)度；小主應(yīng)力中拉應(yīng)力區(qū)域分布范圍較廣，但總體量值相對(duì)較低，其中襯砌拉應(yīng)力量值基本小于抗拉強(qiáng)度，由于考慮頂拱脫開(kāi)，邊墻與頂拱接觸部位局部拉應(yīng)力相對(duì)較大，極值為-1.79 MPa，襯砌/圍巖接觸面邊墻與頂拱接觸部位出現(xiàn)小范圍應(yīng)力集中，極值為-2.28 MPa，并迅速往四周擴(kuò)散衰減，超過(guò)襯砌抗拉強(qiáng)度-1.27 MPa，但是此拉應(yīng)力集中區(qū)域范圍相對(duì)較小，考慮襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋能夠承受部分拉應(yīng)力，此處發(fā)生拉裂可能性不大。

4 方案實(shí)施情況

猴子巖水電站于2016年9月22日1號(hào)導(dǎo)流洞下閘，2016年11月15日2號(hào)導(dǎo)流洞下閘；2016年11月1～28日完成臨時(shí)堵頭準(zhǔn)備及施工，水庫(kù)蓄水至1 770.35 m；2016年11月29日至12月15日，完成永久堵頭第一段兩層混凝土澆筑，水庫(kù)蓄水至1 802.70m。2017年1月1日首臺(tái)機(jī)組正式投入發(fā)電運(yùn)行。2017年11月18日，水庫(kù)蓄水首次達(dá)到1 842.00 m的正常蓄水位高程，順利完成工程重大節(jié)點(diǎn)目標(biāo)。

目前，猴子巖水電站運(yùn)行正常，充分發(fā)揮了防洪及發(fā)電等效益。通過(guò)專家多次現(xiàn)場(chǎng)檢查及監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明堵頭接縫變形已趨穩(wěn)定，滲壓水位都低于同期庫(kù)水位，臨時(shí)堵頭和永久堵頭溫度實(shí)測(cè)值已趨于穩(wěn)定，表明導(dǎo)流洞堵頭處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這也反映了導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)猴子巖導(dǎo)流洞快速封堵堵頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。采用分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法計(jì)算導(dǎo)流洞堵頭長(zhǎng)度，并采用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)法對(duì)堵頭穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，接著采用三維有限元法對(duì)堵頭結(jié)構(gòu)的極限抗滑穩(wěn)定性及應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行了深入分析。經(jīng)綜合評(píng)價(jià)，導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為猴子巖水電站導(dǎo)流洞順利下閘封堵提供了技術(shù)依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)方案的具體實(shí)施實(shí)現(xiàn)了電站首臺(tái)機(jī)組提前蓄水發(fā)電目標(biāo)，這也證明了堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。研究成果可為類似特高壩導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算分析提供參考。