曹登榮　孫文召　李劍萍

摘要：為確保導(dǎo)流洞永久封堵體的施工安全、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，南歐江七級(jí)水電站采用臨時(shí)堵頭+永久堵頭的方式。對(duì)永久封堵體的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，按照承載力極限狀態(tài)分別從襯砌混凝土與堵頭混凝土接觸面、襯砌混凝土與圍巖接觸面兩個(gè)方面，對(duì)3種工況下的荷載情況綜合考慮。結(jié)合有限元對(duì)封堵體的應(yīng)力應(yīng)變分析成果，在封堵體迎水面布置鋼筋網(wǎng)，并對(duì)導(dǎo)流洞永久封堵體全斷面增設(shè)錨桿。結(jié)果表明：永久封堵體的長度取38 m，完工后已安全度過數(shù)個(gè)汛期，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示封堵體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流洞； 臨時(shí)堵頭； 永久堵頭； 抗滑穩(wěn)定； 有限元； 南歐江七級(jí)水電站

中圖法分類號(hào)：TV554

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.007

文章編號(hào)：1006-0081（2023）12-0042-06

0引言

導(dǎo)流洞永久堵頭屬永久建筑物，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相同［1］。堵頭的設(shè)計(jì)、施工進(jìn)度以及施工質(zhì)量直接影響水電站發(fā)電效益和電站運(yùn)行期的安全［2］。導(dǎo)流洞能否順利安全地完成下閘封堵，直接關(guān)系到蓄水發(fā)電目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)［3］。此外，由于永久堵頭施工工藝復(fù)雜，施工工期較長，很難保證在汛前完成施工［4］。因此，目前常用的方法是對(duì)堵頭采用分層分段施工。近年來，在糯扎渡、大古、萬家口子等水電站導(dǎo)流洞封堵施工時(shí)采用了臨時(shí)堵頭的方法［5-7］，為解決此問題提供了一個(gè)新的思路。

本文在總結(jié)了國內(nèi)外導(dǎo)流洞封堵體設(shè)計(jì)方案和計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，采用較為少見的臨時(shí)堵頭+永久封堵體的設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)堵頭施工相比，一般情況下臨時(shí)堵頭僅需要進(jìn)行回填灌漿，不需要進(jìn)行帷幕灌漿和固結(jié)灌漿，可采用連續(xù)澆筑的方式在下閘后迅速施工，從而為永久堵頭的安全施工創(chuàng)造干地條件，提升永久堵頭的施工質(zhì)量，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，臨時(shí)堵頭的設(shè)置還可為水庫蓄水搶占工期，從整體上提升工程的經(jīng)濟(jì)性。本文以南歐江七級(jí)水電站為例，介紹了導(dǎo)流洞封堵方案的設(shè)計(jì)思路、計(jì)算方法和細(xì)部設(shè)計(jì)。

1工程概況

南歐江七級(jí)水電站位于老撾豐沙里省境內(nèi)，為Ⅰ等大（1）型工程，水庫校核洪水位636.76 m，設(shè)計(jì)洪水位和正常蓄水位均為635.00 m。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸泄洪放空洞等組成。工程采用圍堰一次斷流，基坑全年施工的隧洞導(dǎo)流方式。導(dǎo)流建筑物等級(jí)為4級(jí)，導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇洪水，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為2 290 m³/s，調(diào)洪后流量為1 434 m3/s。工程共布置1條導(dǎo)流洞，位于右岸，進(jìn)口底板高程511 m，出口底板高程509 m。進(jìn)口明渠長約50 m，末端設(shè)進(jìn)水塔，進(jìn)水塔尺寸為18 m×16 m（長×寬），塔頂平臺(tái)高程為543.00 m，高約32 m，進(jìn)水塔內(nèi)設(shè)置1孔1扇封堵閘門及其啟閉機(jī)。導(dǎo)流洞洞身長865.000 m（包括明洞段），坡度i=0.237%。出口明渠長123.125 m，左側(cè)為重力式擋墻，右側(cè)為貼坡式混凝土。

2封堵體方式和堵頭設(shè)置

導(dǎo)流洞封堵體關(guān)系到整個(gè)工程的運(yùn)行安全，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與防滲方面的要求。根據(jù)南歐江七級(jí)水電站的下閘蓄水規(guī)劃，導(dǎo)流洞封堵工期較為緊張，高水位情況下閘門可能漏水甚至出現(xiàn)部分損傷，進(jìn)而影響洞內(nèi)人員安全，并可能造成下閘蓄水失敗的情況［8］。南歐江七級(jí)水電站導(dǎo)流洞采用臨時(shí)堵頭+永久封堵體的方式。導(dǎo)流洞下閘后20 d內(nèi)完成導(dǎo)流洞臨時(shí)堵頭施工，為永久封堵體施工和水庫蓄水創(chuàng)造條件。結(jié)合大壩帷幕線的布置，導(dǎo)流洞臨時(shí)堵頭位于樁號(hào)D0+315 m～D0+330 m，導(dǎo)流洞永久封堵體布置于大壩帷幕灌漿線，位于隧洞中部的Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ類圍巖段，其樁號(hào)為D0+330 m～D0+368 m，最大開挖斷面寬10.0 m，高14.3 m。

3導(dǎo)流洞封堵體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

目前，堵頭結(jié)構(gòu)一般根據(jù)其所承擔(dān)的水頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用工程經(jīng)驗(yàn)類比法或參考極限抗滑、抗沖切公式校核，設(shè)計(jì)結(jié)果往往過于簡單和保守［9］。與傳統(tǒng)計(jì)算方法不同，本文進(jìn)行堵頭穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，按照承載力極限狀態(tài)，分別從襯砌混凝土與堵頭混凝土接觸面、襯砌混凝土與圍巖接觸面兩個(gè)方面，對(duì)3種工況下的荷載情況進(jìn)行堵頭長度計(jì)算，并采用有限元法進(jìn)行封堵體應(yīng)變分析，對(duì)封堵體的迎水面、四周等應(yīng)力應(yīng)變較為集中的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)方案的安全可靠。

3.1基本假定

為了開展封堵體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算，基本假定如下：① 堵頭擋水后，水壓力經(jīng)堵頭傳遞到堵頭與圍巖或堵頭與原襯砌混凝土的接觸面上；② 堵頭與原襯砌混凝土及圍巖均假定為線彈性連續(xù)體；③ 經(jīng)過鑿毛后，堵頭與原混凝土之間的接觸面是連續(xù)的；④ 原混凝土與圍巖之間的接觸面是連續(xù)的；⑤ 圍巖及堵頭內(nèi)滲透水壓力忽略不計(jì)；⑥ 剪應(yīng)力沿接觸面均勻分布；⑦ 實(shí)際存在的地應(yīng)力、圍巖高低不平及堵頭前段的楔形體布置等作為安全儲(chǔ)備，不參與計(jì)算。

3.2臨時(shí)堵頭抗滑穩(wěn)定計(jì)算

臨時(shí)堵頭長度按兩種工況計(jì)算：① 大壩死水位590 m（永久堵頭施工期間計(jì)劃蓄至死水位）；② 施工期間壩體擋水枯期時(shí)段（12月到次年5月）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)P=0.5%壩前水位584.90 m，550 m水位（泄洪放空洞底板高程）起調(diào)。以上兩種工況均分別按襯砌混凝土與堵頭混凝土接觸和襯砌混凝土與圍巖接觸計(jì)算堵頭長度計(jì)算，荷載組合為水推力+堵頭自重+揚(yáng)壓力，結(jié)果見表1。經(jīng)分析計(jì)算，導(dǎo)流洞臨時(shí)堵頭長度取15 m，臨時(shí)堵頭結(jié)構(gòu)見圖1。

3.3永久封堵體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

永久堵頭的抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要對(duì)封堵體的校核水位、設(shè)計(jì)洪水位工況和正常蓄水位遭遇地震工況進(jìn)行。導(dǎo)流洞永久封堵體是永久建筑物，其設(shè)計(jì)級(jí)別與大壩的設(shè)計(jì)級(jí)別一致，均為1級(jí)建筑物。臨時(shí)堵頭的設(shè)置主要為永久封堵體的施工和水庫蓄水創(chuàng)造條件。為了快速施工，未對(duì)臨時(shí)堵頭進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，其耐久性和抗?jié)B性能無法滿足永久建筑物的需求，且其與永久堵頭接觸面未進(jìn)行接縫灌漿以形成整體，故該工程永久封堵體抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)未考慮臨時(shí)堵頭的擋水作用。

表2列出了永久封堵體計(jì)算工況及主要荷載組合。

抗滑穩(wěn)定分析主要考慮兩部分：① 封堵體混凝土與圍巖之間的抗滑穩(wěn)定性；② 封堵體混凝土與襯砌之間的抗滑穩(wěn)定性。按照NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行封堵體的抗震計(jì)算。主要考慮地震慣性力和地震動(dòng)水壓力。主要計(jì)算參數(shù)取值見表3。

4永久封堵體有限元計(jì)算

根據(jù)已建工程封堵體的應(yīng)力監(jiān)測成果分析，封堵體受力時(shí)出現(xiàn)剪力不均和應(yīng)力集中情況。對(duì)南歐江七級(jí)水電站工程的高水頭及大斷面封堵體，宜采用有限元法進(jìn)行封堵體的應(yīng)力應(yīng)變分析，為封堵體具體體型設(shè)計(jì)提供必要的科學(xué)依據(jù)。

4.1基本假定

為了開展封堵體應(yīng)力應(yīng)變分析，基本假定如下：① 假定混凝土、圍巖均為各向同性均質(zhì)線彈性體；② 混凝土與圍巖為接觸良好的線彈性體；③ 圍巖及封堵體內(nèi)滲透水壓力忽略不計(jì)；④ 初始地應(yīng)力對(duì)封堵體結(jié)構(gòu)的影響忽略不計(jì)。

4.2計(jì)算模型

有限元計(jì)算時(shí)，永久封堵體周邊巖體范圍取3倍洞徑，以滿足計(jì)算精度要求?；A(chǔ)部分底部為三向約束，側(cè)面施加相應(yīng)法向鏈桿約束。計(jì)算中考慮的主要荷載為自重、外水壓力。

假定順?biāo)鞣较驗(yàn)閦向，豎向?yàn)閥向，垂直zy向?yàn)閤向，計(jì)算模型如圖3所示。

本次計(jì)算采用有限元程序，采用牛頓-拉普森平衡迭代法將荷載分成一系列荷載增量，在幾個(gè)荷載步內(nèi)或者在一個(gè)荷載的幾個(gè)子步內(nèi)施加荷載增量。在每次求解前，由牛頓-拉普森法估算出殘差矢量，該矢量是回復(fù)力（對(duì)應(yīng)于單元應(yīng)力的荷載）和所加載的差值，然后使用非平衡荷載進(jìn)行線性求解，且核查收斂性。如果不滿足收斂準(zhǔn)則，重新估算非平衡荷載，修改剛度矩陣，獲得新解，使在每一個(gè)載荷增量的末端解達(dá)到平衡收斂。

4.3計(jì)算結(jié)果

永久封堵體有限元計(jì)算選取正常蓄水位/設(shè)計(jì)洪水位工況、校核洪水位工況，對(duì)封堵長度進(jìn)行計(jì)算分析。主要計(jì)算成果見表5。

永久封堵體的有限元計(jì)算成果表明：

（1） 導(dǎo)流洞永久封堵體混凝土在局部出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在迎水面周邊，最大主拉應(yīng)力值為1.87 MPa，局部區(qū)域超過混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，封堵體其他部位拉應(yīng)力值均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。最大壓應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在封堵體迎水面中下部位，最大主壓應(yīng)力值為 2.68 MPa。最大剪應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在封堵體的迎水面兩側(cè)拱腳，最大剪應(yīng)力值為2.63 MPa?？赏ㄟ^在封堵體迎水面布置鋼筋網(wǎng)解決局部拉應(yīng)力較大的問題。

（2） 在導(dǎo)流洞封堵體混凝土與圍巖接觸面上，封堵體的絕大部分拉應(yīng)力值低于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最大拉應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在迎水面周邊，最大主拉應(yīng)力值為1.87 MPa。最大壓應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在封堵體迎水面底部附近，最大主壓應(yīng)力值為2.68 MPa。最大剪應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在封堵體的迎水面左右兩側(cè)，最大剪應(yīng)力值為2.63 MPa，但只是出現(xiàn)在局部表層，絕大部分接觸面的剪應(yīng)力值較小，基本滿足混凝土與圍巖間抗剪斷強(qiáng)度要求?？赏ㄟ^在圍巖與封堵體之間設(shè)置錨桿，增加接觸面抗拉強(qiáng)度。

（3） 沿洞軸線順?biāo)鞣较驅(qū)Я鞫捶舛麦w應(yīng)力值呈遞減趨勢，且遞減趨勢明顯。

出現(xiàn)上述計(jì)算成果的原因：在水壓力作用下，堵頭混凝土產(chǎn)生壓縮變形，軸向壓縮變形產(chǎn)生泊松效應(yīng)，繼而沿洞室徑向產(chǎn)生膨脹，堵頭周邊區(qū)域由于變形產(chǎn)生附加彈性抗力并產(chǎn)生較大剪切變形，導(dǎo)致迎水面周邊局部區(qū)域最大主拉應(yīng)力和剪應(yīng)力偏大。導(dǎo)流洞封堵體整體穩(wěn)定。采取上述措施后，有效避免了封堵體周邊拉應(yīng)力和剪應(yīng)力偏大的情況。

2021年2月1日南歐江七級(jí)水電站導(dǎo)流洞下閘，水庫開始蓄水。安全監(jiān)測成果顯示，導(dǎo)流洞永久封堵體處于穩(wěn)定狀態(tài)，封堵體結(jié)構(gòu)安全。

5結(jié)語

為確保導(dǎo)流洞永久封堵體的施工安全、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，南歐江七級(jí)水電站采用臨時(shí)堵頭+永久堵頭的方式。設(shè)計(jì)過程中，按照承載力極限狀態(tài)，分別從襯砌混凝土與堵頭混凝土接觸面、襯砌混凝土與圍巖接觸面兩個(gè)方面，對(duì)3種工況下的荷載情況進(jìn)行了堵頭長度計(jì)算。結(jié)合有限元計(jì)算的封堵體應(yīng)力應(yīng)變成果，在封堵體迎水面布置鋼筋網(wǎng)，并對(duì)導(dǎo)流

洞永久封堵體全斷面增設(shè)錨桿，對(duì)封堵體的迎水面、四周等應(yīng)力應(yīng)變較為集中的區(qū)域進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)方案的安全可靠。該工程的永久封堵體設(shè)計(jì)方案和計(jì)算思路可為類似水電站的永久封堵體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供參考。

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（編輯：李慧）

Design and stability analysis of diversion tunnel plug of Nam Ou Ⅶ Hydropower Project

CAO Dengrong ，SUN Wenzhao，LI Jianping

（POWERCHINA Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650000，China）

Abstract：In order to ensure the construction safety of the permanent plug of the diversion tunnel and reduce construction risks，the method of temporary plug and permanent plug was adopted for the Nam Ou Ⅶ Hydropower Station.The anti-sliding stability of the permanent plug was calculated，and the load conditions of the contact surface between the lining concrete and the plug concrete，as well as the contact surface between the lining concrete and the surrounding rock，under three working conditions，were comprehensively considered according to the bearing capacity limit state.Based on the stress and strain analysis results of the permanent plug by finite element method，the reinforcement mesh was arranged at the upstream surface of the plug，and the anchor bolts were added to the full section of the permanent plug of the diversion tunnel.The results indicated that the length of the permanent plug should be 38 m.Several flood seasons had been safely passed after the completion of the plug.The monitoring data showed that the permanent plug structure was in a stable state.

Key words：diversion tunnel； temporary plug； permanent plug； anti-sliding stability； finite element method； Nam Ou Ⅶ Hydropower Project