伊泰兹水电站引水洞施工支洞堵头稳定性分析

任小亮 葛瑶 孙斌

(1.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安 710065;2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001)

1 工程概况

伊泰兹水电站位于赞比亚南方省丘莫市伊泰兹区，大坝位于赞比西河和凯福河交汇点上游295 km处，距离已建成的上凯福峡水电站230 km。伊泰兹大坝于1978年建成，是下游上凯福峡水电站的调节水库，主要用于蓄水灌溉和凯福河流量管理，调节上凯福峡水电站的水力发电流量。大坝为心墙防渗土石坝，最大坝高65 m，正常蓄水位1 033.5 m，校核洪水位1 040.37 m。扩机工程包括:南导流洞改建引水洞段、新建引水洞段、调压井、地面厂房以及尾水渠、开关站等。扩机工程总装机容量120 MW，安装

2台60 MW的轴流转浆机组，额定水头40 m。引水洞施工支洞封堵体布置于施工支洞与引水洞交叉段部位，桩号为ADIT 0+120.06 m ～ADIT 0+106.56 m，施工支洞开挖断面尺寸为5.0 m ×6.5 m，原支护措施为喷C20混凝土，厚度为0.1 m，封堵体部位围岩为Ⅲ类，封堵断面尺寸为5.0 m×6.5 m，封堵段承受水头为57.88 m。

2 设计资料和计算参数

2.1 结构简图

堵头纵剖面见图1。

图1 施工支洞堵头纵剖面图（单位：桩号以m计，其余均以mm计）

2.2 设计工况

引水洞调压井最高涌浪水位:1 040.37 m，坝前正常蓄水位:1 033.50 m，引水洞施工支洞开挖断面面积:31.42 m2，引水洞施工支洞喷射10 cm混凝土后面积:29.82 m2，初拟封堵长度:13.5 m，衬砌后洞底高程:975.62 m，衬砌后洞顶高程:982.12 m，开挖洞底高程:975.62 m，开挖洞顶高程:982.22 m。设计工况见表1。

2.3 计算参数

封堵体C20混凝土，弹性模量取2.55×104N/mm2，泊松比0.167，容重24 kN/m3。混凝土与混凝土之间的抗剪断参数f'=1.0，c'=0.8 MPa;混凝土与围岩之间 f'=0.85，c'=0.6 MPa。导流洞封堵段围岩物理力学参数见表2。

表1 堵头设计工况

表2 引水洞施工支洞封堵段围岩物理力学参数

3 基本假定［3，4］

1)堵头混凝土与原衬砌混凝土为各向同性的线弹性材料，围岩为弹塑性材料。2)围岩及堵头内渗透水压力和下游水压力暂时不计。3)顶拱部位喷混凝土与堵头混凝土之间是脱开的。4)把施工支洞10 cm喷射混凝土与封堵体混凝土的接触面定义为潜在滑动面1，10 cm喷射混凝土与围岩的接触面定义为潜在滑动面2。

4 计算成果分析

4.1 可靠度理论

采用可靠度理论分别对滑动面1，2的稳定性进行计算分析，计算成果见表3。

表3 可靠度系数计算结果

从表3可以看出，对于持久状况，潜在滑动面1，2的抗滑力与作用力比值分别为2.27和1.70，均大于1.32，封堵体处于安全状态。对于偶然状况，在校核洪水位情况时，潜在滑动面1，2的抗滑力与作用力比值分别为2.02和1.51，均大于1.122，封堵体处于安全状态;在地震情况时，潜在滑动面1，2的抗滑力与作用力比值分别为2.17和1.62，均大于1.122，封堵体处于安全状态，因此，封堵体的长度满足封堵稳定要求且具有一定的安全余度。

通过抗滑力和作用力比值与抗滑稳定计算的K值做比值来确定最不利工况，对于滑动面1，2，正常蓄水位情况下比值分别为1.69，1.25，校核工况下的比值分别为 1.77，1.31，地震工况下的比值分别为1.90，1.41，从上述分析中可以看出正常蓄水位工况为最不利工况［1，2］。

4.2 有限元理论

有限元理论计算共划分为251 024个网格，根据可靠度理论计算结果，选用正常蓄水位工况为最不利工况，对该工况进行了三维有限元验证分析计算，网格模型见图2。

图2 有限元计算网格模型

4.2.1 滑动面1

1)封堵混凝土本体正应力和变形。

封堵体混凝土X向的正应力SX最大值达到了0.56 MPa，出现在边墙中部偏下，小于C20混凝土的抗拉强度;Y向正应力SY最大值达到了0.75 MPa，出现在底板中部，小于C20混凝土的抗拉强度;Z向正应力SZ最大值达到了0.61 MPa，出现在底板中部，小于C20混凝土的抗拉强度，从应力的数值可以看出，封堵体所产生的拉应力均小于混凝土自身的抗拉强度。

封堵体混凝土的Z向变形都不是很大，最大的地方出现在迎水面进人孔门槽处，最大值达到了0.16 mm，这是由于封堵体进人孔闸门将水压力传递给两侧门槽，使门槽向下游变形的缘故。

2)接触面应力和变形。

封堵体混凝土与10 cm喷射混凝土接触面X向的正应力SX最大值达到了0.73 MPa，出现在边墙中部偏下，小于C20混凝土的抗拉强度;Y向正应力SY最大值达到了0.76 MPa，出现在顶拱中部，小于C20混凝土的抗拉强度;Z向正应力SZ最大值达到了1.67 MPa，出现在边墙中部，大于C20混凝土的抗拉强度，由于Z向产生较大的拉应力，在封堵体迎水面的位置对封堵体混凝土与10 cm喷射混凝土切剖面发现剖面的最大应力为0.83 MPa，小于混凝土的抗拉强度，因此可以确定此处产生较大拉应力是由于90°拐角产生了应力集中问题，故从应力的数值可以看出，封堵体混凝土与10 cm喷射混凝土接触面所产生的拉应力均小于混凝土自身的抗拉强度。

封堵体混凝土的Z向变形都不是很大，最大的地方出现在迎水面进人孔门槽处，最大值达到了0.16 mm，这是由于封堵体进人孔闸门将水压力传递给两侧门槽，使门槽向下游变形的缘故。

4.2.2 滑动面2

1)封堵混凝土本体应力和变形。封堵体混凝土X向的正应力SX最大值达到了0.60 MPa，出现在边墙中部偏下，小于C20混凝土的抗拉强度;Y向正应力SY最大值达到了0.75 MPa，出现在底板中部，小于C20混凝土的抗拉强度;Z向正应力SZ最大值达到了0.68 MPa，出现在边墙与顶拱交汇处，小于C20混凝土的抗拉强度，从应力的数值可以看出，封堵体所产生的拉应力均小于混凝土自身的抗拉强度。

封堵体混凝土的Z向变形都不是很大，最大的地方出现在迎水面进人孔门槽处，最大值达到了0.16 mm，这是由于封堵体进人孔闸门将水压力传递给两侧门槽，使门槽向下游变形的缘故。

2)接触面应力和变形。封堵体混凝土与基岩接触面X向的正应力SX最大值达到了0.60 MPa，出现在边墙中部偏下，小于C20混凝土的抗拉强度;Y向正应力SY最大值达到了0.75 MPa，出现在底板中部，小于C20混凝土的抗拉强度;Z向正应力SZ最大值达到了0.68 MPa，出现在边墙与顶拱交汇处，小于C20混凝土的抗拉强度，从应力的数值可以看出，封堵体混凝土与基岩接触面所产生的拉应力均小于混凝土自身的抗拉强度。

封堵体混凝土的Z向变形都不是很大，最大的地方出现在迎水面进人孔门槽处，最大值达到了0.16 mm，这是由于封堵体进人孔闸门将水压力传递给两侧门槽，使门槽向下游变形的缘故。

5 结语

通过可靠度理论对封堵体的分析计算，可以明确看出，封堵长度为13.5 m时，封堵体在三种工况下均能满足堵头稳定计算要求，同时利用三维有限元对堵头长度进行了复核［5］，堵头的应力及变形均满足要求，因此，确定堵头长度为13.5 m。

［1］权 锋，郭红彦.积石峡水电站导流洞堵头稳定性分析［J］.水力发电，2011，37(11):87-88.

［2］杨静安，郭红彦.拉西瓦水电站导流洞堵头结构与稳定分析［J］.电网与清洁能源，2008(11):71-75.

［3］甘文喜.水工隧洞堵头设计探讨［J］.人民长江，2011，32(5):34-36.

［4］许广义.水电站导流洞堵头结构稳定研究［D］.武汉:武汉大学，2006.

［5］林正伟，何江达，陈建康.水工隧洞用常规方法与有限元计算的差异［J］.四川水力发电，2003(6):80-83.