大直径出线竖井衬砌受力分析及安全性评价

2020-08-11补约依呷李良权

水力发电 2020年5期

补约依呷，陈鹏，程普，李良权

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122)

0 引言

随着大型水电站建设的蓬勃发展，地下厂房的布置方案被更多采用。受地形地质条件、枢纽布置格局等因素的影响，电缆出线往往采用竖井出线形式。得益于机械设备和施工能力的不断提升，水电站出线竖井的深度、井筒的直径越来越大，这类超深大直径出线竖井的衬砌受力及变形破坏与一般的小型竖井衬砌有差异，对设计、施工、运行使用等都提出了更高的要求。近年来，与工程相适应的大直径出线竖井结构研究受到业界的关注和重视，文献[1- 8]针对不同的工程，对竖井衬砌施工技术、衬砌裂缝成因及修补等与施工相关的内容做了介绍。可以看出，已有文献主要集中在针对工程实际中的方案、工艺、检测方法等的介绍，针对大直径出线竖井衬砌的受力特性及规律研究甚少。

本文依托西部某大型水电工程，采用有限元分析软件ANSYS，研究大直径出线竖井衬砌应力及变形在运行使用过程中受自重、外水压力及温度作用的影响，采用数值计算分析探讨大直径出线竖井衬砌的受力及破坏模式，并进行安全性评价，可供类似工程参考。

1 工程概况

西部某大型水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，左、右岸主变洞各自通过2条500 kV出线洞与地面出线场开关站连接，每个出线洞包括2个竖井洞段和2个水平洞段，出线竖井底板高程均为583.4 m，左岸地面出线场高程965.0 m，右岸1 145.0 m。竖井井身开挖直径13 m，井壁衬砌厚度0.85 m。左岸出线竖井布置见图1。出线竖井井身断面见图2。

图1 左岸出线竖井布置

图2 出线竖井井身断面(单位：cm)

出线竖井所在部位围岩为单斜地层，自上而下穿越的地层为中二叠统斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、隐晶质玄武岩、角砾熔岩、柱状节理玄武岩、凝灰岩。出线竖井围岩总体上以微透水和弱透水岩体为主，中等透水、强透水岩体主要出露在上部强卸荷带内和地质构造部位。

2 计算模型及边界条件

以左岸1号出线竖井上段为研究对象，建立大直径出线竖井衬砌数值计算模型。根据工程实际，左岸1号出线竖井上段井身长度约为127 m，竖井衬砌外的围岩半径取竖井井身直径的3倍，围岩简化为均质，采用薄层单元模拟衬砌与围岩的相互接触作用[9-10]。模型四周均采用法向位移约束，底部节点采用三向固定约束，模型共划分154 118个单元，167 213个节点。有限元模型见图3。特征点位置示意见图4。

出线竖井衬砌采用C30混凝土，弹性模量为3.0×104MPa，密度为2 500 kg/m3，泊松比为0.167，导热系数为1.74 W/(m·K)，线膨胀系数为1.0×10-5℃；围岩弹性模量为1.5×104MPa，泊松比为0.25，导热系数为3.49 W/(m·K)，线膨胀系数为1.0×10-5℃。

计算中，假定衬砌混凝土施工时围岩已自稳，不考虑围岩压力及其自重。地下水位稳定在竖井井口以下15 m，参照DL/T 5195—2004《水工隧洞设计规范》，外水压力折减系数取0.4。衬砌外围岩的地层温度假定地表到地面以下20 m范围内为恒定温度15 ℃，20 m以下地层温度按照0.02 ℃/m递增。竖井内部温度假定取较低值10 ℃。

图3 有限元模型

图4 特征点位置示意

3 计算结果分析

3.1 位移分析

出线竖井衬砌内外壁特征点的环向和竖向位移随深度的变化分别见图5、6所示。从图5、6可知，在自重、外水压力和温度作用下，井身衬砌环向位移整体上随深度呈现先增大后减小的趋势，竖向位移随深度呈现逐渐减小的趋势。内外壁特征点应力随深度的变化趋势相近，外壁特征点环向位移最大值出现在深度116 m处，为0.12 mm；竖向位移最

图5 外壁特征点位移

图6 内壁特征点位移

大值出现在深度0 m处，为31.53 mm。内壁特征点环向位移最大值出现在深度113 m处，为0.27 mm；竖向位移最大值出现在深度0 m处，为31.33 mm。此外，自重、外水压力及温度作用三者导致的位移占最终的复合位移比重为：温度作用>外水压力>自重。

3.2 应力分析

出线竖井衬砌内外壁特征点的竖向应力、环向应力、衬砌厚度方向剪应力随深度的变化分别见图7、8。从图7、8可知，在自重、外水压力和温度作用下，井身衬砌环向均呈现为受压状态，竖向均呈现为受拉状态。内外壁特征点应力随深度的变化趋势相近。

图7 外壁特征点应力

图8 内壁特征点应力

(1)井身衬砌环向压应力整体上沿深度方向呈现先减小后增大再减小的趋势。井口0～10 m范围内井身衬砌环向压应力逐渐较小；10～110 m范围内井身衬砌环向压应力逐渐增大；110～127 m范围内井身衬砌环向压应力逐渐减小。内、外壁特征点最大环向压应力分别为-5.61、-4.58 MPa。

(2)井身衬砌竖向拉应力整体上沿深度方向呈现先减小后增大再平缓减小的趋势。在靠近井身底部区域竖向拉应力减小趋势变快；井口0～5 m范围内井身衬砌竖向拉应力逐渐减小；内壁特征点在5～80 m 范围内竖向拉应力逐渐增大；内壁特征点在80～127 m范围内竖向拉应力逐渐减小。外壁特征点在5～50 m范围内竖向拉应力逐渐增大。外壁特征点在50～127 m范围内竖向拉应力逐渐减小。内、外壁特征点最大竖向拉应力分别为1.55、0.77 MPa。

(3)自重、外水压力及温度作用三者导致的应力占最终的复合应力比重为：温度作用>外水压力>自重。可见，温度作用是影响大直径出线竖井衬砌受力的重要因素之一，以往水电站出线竖井结构设计往往忽略温度作用的影响，导致结构设计的不安全，相关研究[11-12]也表明温度作用引起的结构应力较大，是井壁衬砌破裂的主要因素，应考虑到水电站出线竖井井壁衬砌的结构设计中。

4 安全性评价

拉压破坏、剪切破坏是实体模型主要的2类破坏形式，参考DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》定义，表1列出了衬砌内外壁特征点环向抗拉压安全系数λ1、竖向抗拉压安全系数λ2、抗剪切安全系数η的最大值和最小值。从表1可知，除内壁特征点竖向抗拉压安全系数λ2最小值小于1.0外，内外壁特征点其他各项安全系数均大于1.0，表明竖井井身衬砌整体上是安全可靠的，不会出现明显的破坏；局部衬砌内壁拉应力超过C30混凝土抗拉设计强度，但超出的量值较小，通过配筋可以满足结构的安全可靠性。此外，对比内外壁特征点安全系数，外壁特征点各项安全系数均大于内壁特征点，说明井身衬砌外壁的安全性要高于衬砌内壁，安全评价时要重点关注衬砌内壁。