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九甸峡水利枢纽工程引水发电洞结构分析方法初探

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——~—CH—INA WAT ER RE SOURCE猩建遮S 1一 九甸峡水利枢纽工程 引水发电洞结构分析方法初探 苟建国 (甘肃省九甸峡水利枢纽有限责任公司) 摘要:目前国内对于压力隧洞的计算方法主要采用结构力学法和有限单元法,两种方法计算结果相差较大 针 对九甸峡水利枢纽工程引水发电洞设计,根据不同的情况采用不同的结构分析方法,按照一次支护和二次支护 步骤、计算确定喷锚支护参数、衬砌结构以及隧洞渗漏量等,取得了较好的结果 关键词:压力隧洞:喷锚支护;衬砌结构:有限元 Research on analysis method of power tunnel lining construction in the Jiudianxia multipur. pose dam project//Gou Jianguo Abstract:The structural analysis method and FEM is usually used in power tunnel lining calculation at present, but【he result of the two methods is different,According to the power tunnel design of the Jiudianxia muhipu卜 pose dam project,use the two analysis method,based on constuctrion schedule of support at first and lining at last stage,the shotcrete and rock bolt pattern,the lining,and permitted leakage of tunnel were determinedand ,the result is rationa1. Key Words:power tunnel;shotcrete and rock bolt:lining structure:finite element 中图分类号:TV31 文献标识码:C 文章编号:1000—1123(2006)20~0039—03 甘肃洮河九甸峡水利枢纽工程 一是甘肃省引洮供水T程的水源工程. 、隧洞地质条件 硬相间,岩层走向与洞线大角度相 交,对隧洞的成形无较大影响。洞身 在不同部位穿越断层裂隙.对隧洞 成形不利,隧洞最大埋深局部地段 有高地应力集中现象,施_]二时局部 洞段可能有轻微岩爆现象发生。 位于甘肃省卓尼、临潭两县交界的黄 河支流洮河中游九甸峡峡口处.距兰 州市约193km 引水发电洞进口布置于坝址区 右岸三级阶地后缘,其上部分布有 10~15m厚的坡积块石碎石土,结构 松散,无胶结。 枢纽工程以城乡生活供水及工业 供水、生态与环境用水为主,兼有农业 进口洞脸岩体边坡产状为SNW 60。~70。,为巨厚层灰岩,弱风化深 度5-8m,岩体中无较大断层分布,但 裂隙发育,特别是顺坡向裂隙发育. 部隙卸荷,延伸长,倾角陡,胶结 较差。洞身段主要通过巨厚层角砾状 灰岩,致密坚硬,耐风化.层理不明 根据隧洞地质条件.对隧洞围岩 进行了分段稳定性评价:隧洞全长 2240m,其中Ⅱ类围岩约59.1%,llI类 围岩约18-3%,IV类围岩约22.6%。 灌溉、发电、防洪、养殖等综合功能。枢 纽工程主要建筑物包括混凝土面板堆 石坝、 1、 表孔溢洪洞、右岸泄洪洞、 引水发电系统及地面厂房等 引水发电洞布置在右岸山体,进 口位于坝轴线上游约250m处,进口 底板高程2141.00m,采用圆形压力 洞,洞径9,5m,洞长2240m.隧洞承受 二、隧洞分析方法 目前国内对水工隧洞的计算,主 要采用荷载结构法和弹塑性理论分 析法。 显,岩体完整,具良好的成洞条件 隧洞下游段依次通过厚层灰岩夹薄 层灰岩,砂岩、灰岩、页岩互层以及 灰岩夹泥灰岩、页岩,层理明显,软 的最大水头为66m,伞断面钢筋混凝 土结构衬砌。 荷载结构法以结构力学为基础, 假定衬砌为的结构.在山岩压 丑 圊 收稿日期:2006—09—11 作者简介:苟建国(1964一),男,甘肃省九甸峡水利枢纽有限责任公司副总经理。高级工程师。 0 0 o’ 0 39 维普资讯 http://www.cqvip.com

力、自重、水压力、灌浆压力等荷载的 于同一地质单元,岩性相同.因此各 作用下,计算衬砌结构的内力。荷载 洞段相同类别围岩采用相同的物理 结构法主要存在以下不足:①隧洞计 力学参数,参数见表1。 算中不考虑山岩的自稳作用,假定山 岩压力为单纯的外部荷载,与现实情 四、喷锚支护设计 况不相符;②由于衬砌结构为的 1.计算理论 受力构件,因此往往需承受较大的荷 假定隧洞开挖后.在围岩一定范 载,导致衬砌强度加大,造成浪费;③ 围内会发生围岩应力重分布,当其重 山岩压力对衬砌结构的计算影响很 分布应力超过岩体的极限强度值时, 大,但简单采用坚固系数等参数无法 就会使围岩产生塑性变形和破坏,并 全面反映围岩的实际状况;④无法计 向洞室深部发展,达到某一半径尺 算施工中采取的一次支护对结构安 时,重分布应力值与岩体极限抗压强 全性的贡献;⑤隧洞的埋深等对稳定 度相等.变形停止发展。目前国内分 影响无法计算等。 析计算普遍采用芬纳公式,据此洞壁 隧洞开挖后围岩应力发生重分 上的径向压力尸:(支护抗力)为: 布.如果围岩应力小于岩体强度,则 业 \l 围岩处于弹性状态,当围岩局部区域 辟 1 n )+Cct酬( ) 一Cctg 应力超过岩体强度时,围岩处于塑性 与尺。(塑性区半径)之间存在 或破坏状态。按照围岩弹塑性理论, 联系,在围岩稳定的前提下,扩大塑 隧洞开挖后由于塑性区的扩大,最终 性区半径尺 ,就可降低为维持极限平 形成一定的松动区,松动区范围可以 衡状态所需的支护抗力 。其中塑性 采用芬纳公式计算 通过喷锚等一次 区半径R。随着|pf的减小而增长。 支护措施,可以保证松动区的稳定和 芬纳公式假定弹塑性区边界处 安全。随着计算技术的发展,以弹塑 岩石凝聚力C=0.因而获得的结果不 性理论为基础的有限单元法在隧洞 够准确,修正的芬纳公式考虑了C值 计算中得到广泛应用,为施工仿真分 的影响.计算公式为: 析提供了条件。 / 1 l… 三、计算参数 P ̄(P+CcLg@(1--sing )(景) -Cctg 上=业 九甸峡引水发电洞围岩参数根 据地质勘探及室内试验得到.隧洞处 Ro=F0l ] 表1 九甸峡引水发电洞各类围岩物理力学指标建议值 指标 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类 坚固系数f 4 ̄6 3~4 2~3 单位弹性抗力系数kdkglcm3) 500—600 400~500 200~300 天然容重 ̄(g/cm’1 2.69 弹性模量E(x 104MPa1 2.5~2.O 2.O~1.O 1.0 ̄0.1 饱和抗压强度Rc(MPa) 75~80 50~65 40~50 岩体完整性系数Kv 0.6~0.7 0.4~0.5 O.2~O.35 泊松比 O.2l~0.24 抗剪强度 1.3~1.1 1.1~0.9 0.9~0.6 寻 凝聚力 1.5~1.O 1.O~O.5 0.5~O.1 圊 * 堂 抗拉强度 5.O2~1.88MPa 量 渗透系数(m/s1 O_3~O.7 0 4o 假定 :0,即可得到洞室围岩塑 性圈的最大半径尺。: 卫n r 相应的松动圈半径尺计算公式为: =哑 R=R。[ 由于塑性区内的围岩力学参数 均是根据深度变化的,因此计算中采 用值均低于实测值。根据经验进行折 减如下:弹性模量一般为实测值的 0,5~0.7倍:凝聚力一般为实测值的 03--0.7倍:内摩擦角一般与实测值接 近 围岩塑性位移 也与支护抗力 有关,相关公式如下: u=ro(1一N/1一A、 4=[2一 sin ̄o(P+Cctg )] f \ Cetg ̄o)[ 根据以上的计算理论.可以确定 塑性圈的半径.围岩塑性位移在 一定范围内.得到最小的支护抗力等。 2.喷锚支护计算 (1)塑性圈的确定 基于以上的弹塑性理论,根据芬 纳公式,假定塑性圈充分发展后。就 得到最大塑性圈.为喷锚支护中锚筋 长度的控制范围。 (2)喷层厚度的确定 喷层除作为结构要起到承载作 用外,还要求向围岩提供足够的反 力,以维持围岩的稳定。喷层的强度 要求小于喷层内壁切向应力,则根据 厚壁桶理论为: t=K3ro—_= =一1 \/卜鲁 同时要求喷层两侧不出现剪切破 坏.冈此喷层厚度还要满足以下条件: 尸bsin(45。一 ) ———— 一——=- 维普资讯 http://www.cqvip.com

~ 猩建 CHINA WATER RESOURCES (3)锚杆设计 厚砼并结合挂网锚筋即可满足围岩 若有锚杆作用时,锚杆所提供的 的稳定要求,但考虑列隧洞断面比较 附加支护抗力由下式计算: 大,Ⅳ类围措洞段一股为断层影响 G=C+ r ̄A/ei 带,因此在一次衬砌的基础t尚需进 A e 行:二次砼衬砌。 计算得到的附加抗力叮以有效 减小支护抗力。 五、荷载结构法 (4)钢筋网设计 1.计算方法 若有钢筋网作用时,钢筋网所提 衬砌结构分析计算采 边值法. 供的附加支护抗力由下式计算: 是将衬砌结构的计算化为非线性常微 A r 分方程组的边值问题,采用初参数数 — ‘s sin(45。一 ) 值解法,在各主动荷载的组合作用之 二 二 下,计算衬砌结构的内力和位移。对于 按照上述的计算方法.对引水发 衬砌结构上的弹性抗力的分布不作任 电洞一次支护进行计算的结果见表2: 何假定,而根据应力应变相容关系,南 分析可以看出.对Ⅱ类围岩洞 迭代计算而得出。本疗法较一一般结构 段,喷lOom厚砼即可满足围岩的稳 力学法合理,也更符合实际。 定要求;对Ⅲ类围岩洞段,喷10cm厚 微分方程如下.: 砼,并结合挂网锚杆即可满足围岩的 dx/ds=A +P 稳定要求:对Ⅳ类同岩洞段.喷15cm CXI =0,DXI =0 表2一次支护参数计算表 参数 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类 锚杆直径(mm) 25 25 28 锚杆长度(m) 4.5 4.5 6.O 锚杆纵、横间距 1.5mx1.5m 1.5rex1.5m 1.Omx1.Om 挂网钢筋直径(mm) 8 挂网钢筋纵、横间距 20cmx2Ocm 最大塑性圈半径(m) 5.271 8 5.4756 7.5264 采用砼喷层(m) 0.069l 0.2082 O-4159 采用锚杆砼喷层(m) 0.0548 O.1516 O.1 872 采用钢筋网 喷层(131) 0.0224 O.1615 0 3691 采用钢筋网和锚杆砼喷层(m) 0.008l O.1048 O.1405 表3各类围岩衬砌结构配筋计算汇总表 项目 最大拉力(kN) 钢筋面积(mm ) 每米配筋结果 裂缝(mm) f 最大埋深 420.54 1078 7014 O.181 Ⅱ类 有限元 最小埋深 425.12 1O78 7014 O.1 83 结构力学法 长期荷载 966.7 2l99 702O 0.206 短期荷载 l】8O.5 2661 7022 O.260 有限元 最大埋深 462.24 l078 70l4 O.204 Ⅲ类 最小埋深 4663O 1O78 7014 0.206 结构力学法 }乏期荷载 1168-4 2661 7022 0.254 短期荷载 1320.5 266l 7022 0.332 有限元 最大埋深 826.75 1407 7O16 0.267 Ⅳ类 最小埋深 829.08 1407 7O16 0.268 结构力学法 长期荷载 1575 0 4310 7O28 0.222 短期倚载 1 845.0 43l0 7028 0.292 有限元 最大埋深 1265.90 266l 7022 0.237 加强段 最小埋深 l267.40 266I 7022 0l237 结构力学法 长期荷载 1 897.0 5630 7O32 0.205 短期荷载 2392.6 5630 7O32 0.333 2.计算荷载 隧洞所承受的荷载主要有:①内 水压力,②外水压力,③衬砌自重,④【n1 填灌浆压力,⑤山岩压力,⑥围岩弹性 抗力。其中对山岩压力的计算根据不同 的围岩条件主要采用普氏理论法和山 岩压力系数法..根据规范及经验,对Ⅱ 类嗣岩,考虑到其岩质坚硬、完整性好, 开挖以后可以自稳,以及喷锚支护的作 用,故Ⅱ类围岩同岩压力不作为主动压 力施加上去:对Ⅲ类围岩洞段只计铅直 围岩压力,采用山岩压力系数法进行计 算;对较差的IV类围岩洞段则采用普氏 法计算。岩石弹性抗力为被动力,根据 文克尔假定进行计算。 六、有限元计算 运用同济曙光隧洞计算软件仿 真方法,模拟隧洞的开挖等施 过 程,得到不同施 步骤的同岩应力分 布和衬砌结构的受力状态。 同岩本构模型采J}}j弹塑性模型, 屈服准则为德鲁克一普托格准则,单 元应力释放方法为Mana法,接触面 单元模型为线弹性理想塑性,衬砌结 构混凝土为线弹性模型 对引水发电 洞采用以上两种方法进行了计算分 析,基本可以全面了解结构的受力特 征,控制一 况为运行期.计算 尔南 于隧洞承受的内水压力较大,隧涮 偏心受批的状态,设计优化后确定的 衬砌厚度比较合理,『1『以保证隧洞的 长久安全运行. 同时按照裂缝的 要求,对倚载结构法和有限厄法的汁 算结果进行了配筋,见表3. .隧洞设计规范规定,按照 裂要 求设计的隧洞.在长期荷载作用F裂 缝宽度应不大丁0.25IllIl1.短期简载作 用下裂缝宽度不大丁0.30mm,因此, 引水发电洞设汁i-先根据短期荷载 的要求计算裂缝开展宽度,然后采用 长期荷载进行裂缝宽度复核 七、渗透量计算 舌 圊 * 南于引水发电洞(下转第53页) 0 0 0 41 维普资讯 http://www.cqvip.com

CHINA WATER RESOURCES 供水管理组织(农民用水户协会)往 可按末级供水同定资产的1.4%确 定。斗渠以下的末级渠系固定资产属 末级终端计量设施需要配套的 数量多,资金投入大,建设周期长,需 年度供水期内聘用农民配水员所需 要的各项费用,包括劳动报酬、雨 衣、雨鞋、手电等劳保支出和交通补 于国家所有,乡(镇)应将农民用 水户协会管理范围内的末级渠系无 偿委托协会全权维护管理,并办理相 要逐步配套和完善。然而,灌区终端 水价改革不能因此而停滞不前,要因 助费等。末级渠系供水配水员按 (45~75)人/万hm 严格控制,管理条 件好的灌Ⅸ取下限。每个配水员供水 期劳务费、劳保费和交通补助费等可 按当地经济水平合理确定 末级渠系沿程水量损失费指从 上一级水管单位计量点(斗渠进口) 至末级终端计量点的合理的沿程水 量损失费。沿程水量损失费只计算现 行丁程条件下实际的水量损失,不得 地制宜,按目前尚未建立末级终端计 关委托手续。有末级渠系固定资产明 细台账的.末级渠系固定资产按账面 量点和已配备完善的终端计量点两 种模式来确定终端水价。 值确定:无台账的通过水行政主管部 门会同价格主管部门协商估价。末级 渠系由于大多属于农民投工投劳修 建,因此不计算末级渠系固定资产折 旧费。 1_尚未建立末级终端计量点的灌区 末级水价年供水量沿用传统办 法.可暂按上一级水管单位斗渠进口 计量点实配水量为准,此时终端水价 按下式确定: 3.末级渠系供水合理费用 未级渠系供水合理费用=管理费+ 配水员劳务费+末级渠系供水沿程水 量损失费+末级渠系维修养护费。 终端水价=经批准的上一级国有 水管单位支渠出口供水价格+末级渠 系供水合理费用÷斗渠进口计量点近 3年平均供水量。 计算因管理不当而造成的损失。末级 渠系的水量损失比例要以灌区供水 实际测量为准,可按下式计算: 水量损失费=供水量X末级渠系 供水沿程水量损失比例X水价。 4.末级供水水量的确定 末级渠系供水水避.按农渠进口 计量点所测量的近3年平均实际年 供水量确定。 2_已配备完善的终端计量点的灌区 终端水价=经批准的上一级国有 水管单位支渠出口供水价格÷上一级 国有水管单位供水计量点至终端计 量点的渠道水利用系数+末级渠系供 水合理费用÷终端计量点近3年平均 供水量。 供水量指上一级水管单位供水 计量点近3年的平均实配水量..沿程 水量损失比例指从上一级国有水管 单位计量点至末级终端计量点的沿 程水量损失比例。末级渠系沿程水量 损失比例以实测为主,但壤大不宜超 5.末级水价的核定 末级水价=未级渠系供水合理费 用÷末级供水水量。 四、终端水价核算模式 目前由=r末级渠系尚未配套完 3.末级水价的管理 末级渠系水费要做到专款专用, 全额用于末级渠系的运行管理与维 过8%。水价指协会应交上一级水管 单位的当期水价 末级渠系维修、养护费指末级供 水管理组织(农民用水户协会)对末 级渠系必须进行的维修、养护费用, 善的计量设施,末级供水运行中大都 采用按国有水管单位计量点供水量 进行反推,分摊或按种植面积平均分 配水量, 合理冈素仍然存在。 修、养护,根据推行的经验,40% 用于协会的日常供水运行经费,60% 用于末级渠系的维修、养护。 责任编辑■ 刘炳忠 (上接第41页)洞长达到2240m,且长 期处于乐力运行状态,裂缝渗水量对工 参考文献: 【1】水工隧洞设计规范(DL/T 5195— 【41李华晔等.地下洞室围岩稳定性分 析【M】.北京:中国水利水电出版社, 1999. 程也有一定的影响。衬砌裂缝渗流量与 衬砌裂缝开度,内、外水水头及围岩水 文地质条件有关,但这些参数变化幅度 很大,故渗漏量的计算比较复杂。本丁 程参考有关专著,对引水发电洞渗漏量 2004)[S]. 【21徐干成等.地下工程支护结构【M】. 北京:中国水利水电出版社,2002. 【5】蔡晓鸿,蔡勇平.水工压力隧洞结构 应力计算IMI.北京:中国水利水电出版 社.2004. 【3】潘家铮.水工隧洞和调压井一水工 隧洞部分lMI.北京:水利电力出版社, 1990 【61祁庆和.水工建筑物【M】.北京:中国 水利水电出版社.1998. 进行了计算,计算结果见表4。 ● 表4衬砌裂缝渗流量表 项目 最大裂缝(mm) 裂缝间距(mm) Ⅱ类 0.260 273 Ⅲ类 0.332 273 Ⅳ类 0.292 224 加强段 0.333 297 【7】李协生等.不衬砌引水隧洞设计中 的若干问题【M】.成都:西南交通大学出 版社.1994. 寻 渗水量(cm ̄/s) 隧洞总长(m) lll l4l2 207 4l0 l50 l78 l38 329 【8J华东水利学院.水工设计手册(第七 卷)【M】.北京:水利电力出版社,1989. 责任编辑圃 * 兰 总渗水量(m /s) 0.574 0-310 0.1l9 0.153 李建章 8 0 53 

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