新疆下坂地导流泄洪底洞进口及竖井段抗震安全分析

张 伟，房 刚，王颖甜

(1.黄河水利委员会黄河上中游管理局，陕西 西安 710021;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

下坂地水利枢纽工程位于塔里木河主要源流之一的叶尔羌河支流塔什库尔干河中下游，距塔什库尔干县县城45 km，距喀什市315 km。该工程属于大(Ⅱ)型Ⅱ等工程。导流泄洪洞采用压力进口后接明流隧洞，全长1 426 m，断面尺寸，设计泄量750 m3/s，最大流速25 m/s(压力孔口)。隧洞在施工导流期为导流洞，在运行期为枢纽唯一的泄洪设施。为保证大坝的度汛安全，增设一侧槽溢洪道，轴线与隧洞重合，最大泄量为920 m3/s。导流泄洪洞底洞由进口及竖井段、洞身段、出口挑流鼻坎段组成。

进口八字墙段及涵洞段基础大部分坐落在软基上，软基从上到下依次为土夹砾层、卵石层、淤泥质粘土层、软粘土层及漂块石层。进口段自然边坡主要为松散的块石、碎石及砂土组成。竖井闸室段岩性上部为第三岩性段角闪片岩，薄层状，裂隙发育，间距10～15 cm。下部为第二岩性段的角闪片麻岩，裂隙较为发育，完整性较差。

竖井四周有回填抛石混凝土、水压力及山体岩石地基相互作用等荷载，若采用传统的简化方法进行计算，其结果则难以反映其体型复杂、截面突变、刚度变化以及大孔口等因素，并对其力学性能的影响不可能准确地反映各个部位的应力状态和变形情况。因此，通过对导流泄洪底洞进口及竖井段抗震稳定性三维有限元分析，为该工程设计阶段提供可靠依据，并对泄洪洞结构计算研究提供参考。

2 计算模型和参数

2.1 计算模型

根据导流泄洪底洞进口地形图、开挖设计图、进口及竖井段地质纵剖面图、导流泄洪底洞工程地质条件报告，建立山体最初模型，为避免由于不规则的几何模型导致的划分网格失败或出现奇异单元，从而产生应力集中，造成较大的计算误差，将山体稍做简化，简化后模型更加规则，同时也保持了原模型的几何特征和性质。为简化建模过程，分别建立山体和泄洪洞模型，利用 ANSYS建模工具中的 CDWRITE、CDREAD将两模型合并起来形成最终的模型。

有限元分析中针对建立的有限元模型，采用ANSYS中的BEAM188 3D梁单元模拟桩，采用SOLID45单元模拟其余的三维实体模型。其网格如图1，单元个数为139 716个、结点数为33 377个。

图1 计算模型

在建模的过程中，沿洞轴线方向左右两边各取80 m，对模型的左右侧施加河流方向的自由度约束，对模型的前后施加了沿洞轴线方向的自由度约束，对模型的底部施加了全部约束。将桩上的结点与3D实体上的结点运用耦合将它们的自由度联系起来。使桩真正起到支撑洞的作用。

2.2 计算参数

计算中采用的参数，除设计部门提供的岩体和水位等基本参数外，对于混凝土参数选用了规范建议值，具体见表1。

表1 计算参数统计表

运行期间竖井特征水位:正常蓄水位2 960.00 m，校核洪水位2 964.6 m。

3 计算荷载与荷载组合

竖井的主要荷载可分为静荷载和动荷载。其中静荷载主要包括:竖井体自重、静水压力和水重、扬压力、淤沙压力、风压力、浪压力、设备自重等;动荷载包括:地震力、地震动水压力和地震动土压力等。本文以竖井结构满库状态为研究对象，竖井的动力计算所考虑的地震作用包括:(1)建筑物自重和竖井顶门机、启闭机、闸门所产生的地震惯性力;(2)水平向地震作用的动水压力。在计算过程中，在地基四周的边界面上施加水平约束，在底部边界面上施加固定约束。

3.1 地震动输入参数

新疆下坂地导流泄洪底洞进口及竖井为2级建筑物，根据中国地震局地质研究所对场地进行的工程场地地震安全性评价意见，下坂地水利枢纽工程场址区地震基本烈度为Ⅷ度。根据规范规定，只考虑两个水平向地震作用，即水流向和垂直水流向地震作用，不计竖向地震作用。按照地震部门地震危险性分析结果的建议，一般场地条件下的概率地震烈度和基岩条件下地震动峰值加速度250.7 gal;场地特征周期Tg取0.30 s为宜，场地地表峰值加速度0.309 g。本文采用反应谱法动力分析，地震荷载根据《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057—1996)、《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077—1997)、《水工建筑抗震设计规范》(DL5073—2000)规定取用。沿用此类问题的一般做法，以无质量地基底部均匀输入的近似方式考虑结构与地基间的动力相互作用和地震动的输入。根据规范，在动力分析中，计算进水口结构和库水的动力相互作用产生的动水压力时，可以忽略库水的可压缩性而以附加质量的形式计入。

3.2 荷载计算

1)自重。自重只考虑竖井体混凝土的重量，采用数值积分的方法计算，不考虑分期施工的影响。

2)静水压力。竖井内按相应工况水位施加静水压力。

3)地震荷载。采用拟静力法进行计算。计算水工结构地震作用效应时，沿建筑物高度作用的质点i的水平向地震惯性力代表值按下式计算:

式中:αh为与设计烈度相对应的水平向设计地震加速度的代表值;g为重力加速度，g=9.81 m/s2;ξ为地震作用效应折减系数，一般取为x=0.25;GEi为作用在质点i的重力作用标准值;αi为质点的动态分布系数。

3.3 荷载组合

本文模拟了泄洪洞施工开挖竣工至及其蓄水和在地震共同作用下运行之全过程，得出了不同工况下泄洪洞的应力变形及其变形发展规律。

计算工况:

(1)工况一:正常高水位+地震

(2)工况二:死水位+地震

(3)工况三:常遇水位+地震

4 计算结果及分析

1)减桩前计算模型在正常高水位和地震载荷共同作用下导流泄洪洞在沿洞轴线方向上各截面(z=－11，－19，－30，－32，－38)上的大、小主应力、沿洞轴线方向正应力、水平位移和沿洞轴线方向的位移等值线分布。小主应力最大值发生在z=－11截面，最大值为1.72 MPa(拉);大主应力的最大值在z=－38截面产生，最大值为1.87 MPa(压);轴线方向正应力最大值也发生在z=－11截面，最大值为0.43 MPa(拉);水平方向的最大位移、沿洞轴线方向的位移同样都发生在 z=－11截面，最大值分别为4.12 mm和0.61 mm。其中小主应力、沿洞轴线方向正应力、水平位移和沿洞轴线方向的位移都是沿洞轴线方向呈现递减的规律，但是大主应力却是沿洞轴线呈递增的规律。

2)减桩后计算模型在正常高水位和地震载荷共同作用下、死水位和地震载荷共同作用下及常遇水位和地震载荷共同作用下导流泄洪洞在沿洞轴线方向上各截面(z=－11，－19，－30，－32，－38)上的大、小主应力、沿洞轴线方向正应力、水平位移和沿洞轴线方向的位移等值线分布。小主应力最大值均发生在 z=－11截面，最大值分别为1.80 MPa(拉)，1.73 MPa(拉)，1.56 MPa(拉);大主应力最大值均发生在 z=－38截面，最大值分别为 6.28 MPa(压)，5.87 MPa(压)，5.20 MPa(压);轴线方向正应力最大值也均发生在 z=－11 截面，最大值分别为 0.24 MPa(拉)，0.26 MPa(拉)，0.24 MPa(拉);水平方向的最大位移同样都发生在z=－11截面，最大值分别为 4.18 mm，4.14 mm，4.08 mm;沿洞轴线方向的位移也同样都发生在z=－11截面，最大值分别为0.78 mm、0.71 mm、0.56 mm。其中小主应力、沿洞轴线方向正应力、水平位移和沿洞轴线方向的位移在各种工况下都是沿洞轴线方向呈现递减的规律，但是大主应力却是沿洞轴线呈递增的规律。

3)减桩前计算模型在正常高水位和地震载荷共同作用下竖井段各截面(Y=14，34，64)的大、小主应力、竖向正应力、水平位移和竖向位移等值线分布。小主应力最大值发生在Y=14截面，最大值为－0.08 MPa(压);大主应力的最大值在Y=14截面产生，最大值为－1.11 MPa(压);竖向正应力最大值也发生在Y=14截面，最大值为－0.60 MPa(压);水平方向的最大位移、沿洞轴线方向的位移同样都发生在Y=64截面，最大值分别为3.92 mm和3.18 mm。其中大、小主应力、竖向正应力都是沿竖向呈现递减的规律，但是水平和竖向位移却是沿竖向呈递增的规律。

4)减桩后计算模型在正常高水位和地震载荷共同作用下、死水位和地震载荷共同作用下及常遇水位和地震载荷共同作用下竖井段各截面(Y=14，34，64)的大、小主应力、竖向正应力、水平位移和竖向位移等值线分布。小主应力最大值均发生在Y=14截面，最大值分别为－0.09 MPa(压)，－0.08 MPa(压)，－0.07 MPa(压);大主应力最大值均发生在Y=14截面，最大值分别为－1.10 MPa(压)，－1.08 MPa(压)，－1.09 MPa(压);竖向正应力最大值也均发生在 Y=14截面，最大值分别为－0.64 MPa(压)，－0.64 MPa(压)，－0.64 MPa(压);水平方向的最大位移 Y=64截面，最大值分别为 3.94 mm，3.94 mm，3.94 mm;竖向位移也同样都发生在 Y=64 截面，最大值分别为 3.25 mm、3.23 mm、3.23 mm。其中大、小主应力、竖向正应力都是沿竖向呈现递减的规律，但是水平和竖向位移却是沿竖向呈递增的规律。

5 设计处理方案

根据补充地质以及抗震分析，对砂卵石覆盖层部位采用直径1.2 m钢筋混凝土灌注桩+固结灌浆作为明涵基础。

钢筋砼灌注桩桩深在砂卵石地层按17 m控制，即桩底深入冰碛层2 m终孔;若桩深小于17 m遇见基岩，则桩端深入岩石2 m终孔。对灌注桩下游的涵洞基础采用砂砾石水泥灌浆的方法进行加固处理，加固深度按照17 m控制，遇基岩后入岩1 m终孔。

6 结语

根据实际情况，导流泄洪洞洞口部分地基薄弱，需加桩加固。而在对导流泄洪底洞进口及竖井段抗震安全设计和计算过程中，根据实际地质状况和节省经费，要求减桩。分别分析计算了减桩前和减桩后的两种工况。计算结果表明:减桩后除了沿泄洪洞轴线方向正应力变化不大外，其余大、小主应力、水平位移和沿泄洪洞轴线方向的位移均有所增大。同时还给出减桩前后两种工况时桩的内力，结果表明:轴向压力、沿Y轴和Z轴的弯矩也均比未减桩前有所增大。竖井段各截面大、小主应力比减桩前有所减少，但是竖向正应力、水平位移、竖向位移有所增大。

导流泄洪底洞进口及竖井段各截面所有大、小主应力均满足设计要求，尽管桩的数量减少，但尺寸增大，其应力最大值亦在规定范围内。

［1］水工混凝土结构设计规范.(DL/T5057—1996)

［2］水工建筑物荷载设计规范.(DL5077—1997)

［3］水工建筑抗震设计规范.(DL5073—2000)

［4］新疆下坂地水利枢纽工程导流泄洪底洞进口及竖井段抗震稳定性计算分析专题报告.2008.3.