拱坝建成前后对临近导流洞衬砌的影响研究

摘要：导流洞是在水电站、大坝等建筑物施工期导流排水的隧洞，造价昂贵且施工复杂，所以一般后期会与永久隧洞结合起来使用，因此需要确保其在各个时期的安全稳定。通过研究分析拱坝修建前、拱坝修建完工、拱坝坝肩与坝基回填混凝土后、库区正常运行4种工况下临近坝体的导流洞附加应力的变化，得出了拱坝坝体建设以及运营前后各个阶段对临近导流洞衬砌安全稳定的影响情况，结论可以为其他类似工程的设计和优化提供一定的参考价值。

关键词：导流洞；拱坝；附加应力；衬砌

StudyontheImpactofArchDamontheLiningofAdjacentDiversionTunnelsBeforeandAfterCompletion

ZHAOZhen1LIYuejiao2WANGBo3

1.YanglingVocationalandTechnicalCollege，YanglingCity，ShaanxiProvince，712100China;2.HeiheHuangzangTempleWaterConservancyHubProjectConstructionManagementCenter，LanzhouCity，GansuProvince，730000China;3.Hanjiang-to-WeiheRiverValleyWaterDiversionProjectConstructionCo.，Ltd.，ShaanxiProvince，Xi'anCity，ShaanxiProvince，710100China

Abstract：Diversiontunnelisatunnelfordiversionanddrainageduringtheconstructionperiodofhydropowerstations，damsandotherbuildings. Itisexpensiveandtheconstructioniscomplicated，soitisgenerallyusedincombinationwithpermanenttunnelsinthelaterstage.Soitisnecessarytoensureitssafetyandstabilityinvariousperiods.Throughthestudy，itanalyzesthechangesoftheadditionalstressofthediversiontunnelsadjacenttothedambodyunderfourworkingconditions：beforetheconstructionofthearchdam，afterthecompletionoftheconstructionofthearchdam，afterthebackfillingofconcreteonthearchdamshoulderandfoundation，duringthenormaloperationofthereservoirarea，theimpactoftheconstructionofthearchdambodyandeachstagebeforeandafteroperationonthesafetyandstabilityofadjacentdiversiontunnellininghasbeenobtained.Itprovidesacertainreferencevalueforthedesignandoptimizationofothersimilarprojects.

KeyWords：Diversiontunnel;Archdam;Additionalstress;Lining

导流洞是在河岸山体中开挖的用于施工期泄水的隧洞。我国山区水利枢纽工程较多，采用隧洞导流较为普遍。但隧洞开挖过程往往施工复杂且投资较大，所以导流洞一般尽量与永久隧洞相结合进行布置和设计。例如：为减少导流费用，节省工程投资，芒牙河水库工程采取了导流隧洞与放空发电隧洞全结合形式[1]。同样的，新寨水库工程结合实际情况，将导流洞、放空建筑物、取水建筑物与生态流量下泄设施四者进行了结合布置[2]。导流洞作为一种高风险建筑物，若要后期与永久隧洞相结合使用，其结构设计标准和耐久性标准还需要结合工程的长远规划要求适当提高[3]，但洞身混凝土衬砌的施工增加了约束，不利于洞室应力释放，易产生裂缝[4]。安全是工程建设的最重要目标[5]，因此，有必要预先考虑临近大型建筑物对导流洞衬砌的影响情况，以确保各个时期内导流洞的安全稳定。

1研究资料

某拱坝水利枢纽工程导流洞位于坝址右岸，在原勘探实验洞基础上改建而成，设计的导流洞全长771.545m，其中进口引渠段长60m，洞身段长607.545m，出口涵洞段长56m，出口扩散段长38m。洞身为城门洞型，尺寸8m×11m。坝基段导流洞和拱坝建基面的最短垂直距离约为10.5m。

2有限元计算模型

采用ANSYS软件进行建模。计算模型包括已开挖导流洞的基础岩体、导流洞衬砌、拱坝坝体（分为坝肩、坝基未回填混凝土和已回填混凝土两种情况）。地基底面为全约束，地基上、下游面和左右面为法向约束。整体计算模型采用8节点六面体实体单元Solid65模拟，整体计算模型如图1所示，坝体及导流洞位置关系如图2所示，导流洞衬砌如图3所示。

3计算工况及荷载

本文旨在探究临近大型建筑物对导流隧洞的影响情况，所以计算中只需要考虑坝体建成前后对导流洞衬砌的附加应力，因此荷载主要考虑坝体荷载，包括水压力、温度荷载、扬压力、泥沙压力、坝体自重，不考虑隧洞衬砌的围岩压力、构造应力、衬砌自重和内水压力等[6]。

工况0：拱坝施工前，导流洞未受到拱坝的附加影响，不施加荷载。

工况1：拱坝坝体封顶，施加荷载包括坝体自重。

工况2：拱坝坝肩和坝基回填混凝土后施工完建，施加荷载包括坝体自重。

工况3：水库正常蓄水位运行，施加荷载包括坝体自重、库区正常蓄水位上下游静水压力、泥沙压力、扬压力。

4计算结果对比分析

4.1拱坝坝体施工前后对导流洞的影响研究

工况1计算结果显示：导流洞衬砌的附加主拉应力位于导流洞靠近坝体部位顶拱，最大值为1.5MPa（图4）；附加主压应力较小，最大值为2.5MPa（图5），位于导流洞衬砌靠近坝肩的顶拱。

以上计算结果表明：拱坝坝体的修建对导流洞衬砌的附加应力不容忽视，特别是附加拉应力。

4.2坝基回填混凝土前后对导流洞的影响研究

根据已建工程经验，在拱坝计算模型坝肩上游添加直角边长分别为2m、4m的三角形楔形体，坝肩下游添加直角边长分别为2.8m、4m的三角形沿楔形体，用来模拟工况2坝肩和坝基回填混凝土后对导流洞的影响。

工况2计算结果显示：导流洞衬砌的附加主拉应力位于导流洞靠近坝体部位顶拱，最大值为1.08MPa（如图6所示）；附加主压应力较小，最大值为2.84MPa（如图7所示），位于导流洞衬砌靠近坝体部位的拱底。

将工况2计算结果与工况1计算结果相比较，可得出：拱坝坝肩和坝基回填混凝土后，拱坝坝体对导流洞衬砌的附加主拉应力值有所减小，但附加主拉力值略微有所增加。

4.3水库正常运行前后对导流洞的影响研究

工况3计算结果显示：导流洞衬砌附加主拉应力位于导流洞顶拱，最大值为1.09MPa（如图8所示）；附加主压应力最大值为4.45MPa（如图9所示），位于导流洞近坝肩段侧墙。

将工况3计算结果与工况2相比较，可得出：水库正常的正常运行，对导流洞衬砌附加主拉应力影响不大，但会使附加主压应力增大。

5结语

本文通过研究分析拱坝修建前、拱坝修建完工、拱坝坝肩与坝基回填混凝土后、库区正常运行4种工况下临近坝体的导流洞附加应力的变化情况，来分析其对导流洞的影响程度，得出了以下结论。

1. 拱坝坝体的修建对导流洞的安全稳定具有不利影响，对导流洞衬砌产生的附加应力不容忽视，特别是附加拉应力，因此在导流洞衬砌的设计过程中应当提前考虑到拱坝产生的影响。
2. 当拱坝坝肩和坝基回填混凝土后，拱坝坝体对导流洞衬砌的附加主拉应力值有所减小，减小幅度在20%以上。附加主压应力值有所增加，但增加幅度不大，在10%左右，且主压应力不是控制性应力。因此，拱坝坝肩和坝基回填混凝土是有利于导流洞衬砌安全稳定的。
3. 水库正常运行前后，对导流洞衬砌附加主拉应力影响不大，但会使附加主压应力增大，需要进行核算。

参考文献：

• 石箭华，梅德波，张雄云.芒牙河水库工程大坝施工导流设计[J].云南水力发电，2023，39（9）：181-186.
• 王瑞，曾树元，张斌.贵州省新寨水库导流洞综合利用与封堵设计[J].水利水电快报，2021，42（8）：39-43.
• 姚福海，常作维，何伟，等.水电水利工程导流隧洞建设经验总结与设计探讨[J].水力发电，2023，49（1）：48-52.
• 梁金凯.导流隧洞工程质量管控措施研究——以鹰潭市花桥水利枢纽工程为例[J].建设监理，2024（4）：91-95.
• 李浪，向鹏.水利工程导流输水隧洞施工过程危险源分析[J].人民珠江，2023，44（S1）：161-165，193.
• 吴文博，李守义，吴晨.拱坝对近坝肩导流洞结构衬砌的影响研究[J].水资源与水工程学报，2015，26（3）：202-204.