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二滩水电站泄洪洞进口闸室结构设计           
二滩水电站泄洪洞进口闸室结构设计
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 更新时间:2008-9-24 10:49:49
二滩水电站泄洪洞进口闸室结构设计 王平,周跃年
成都勘测设计研究院,四川 成都 610072 1 前 言

   二滩水电站的泄洪洞布置于二滩拱坝右岸,为二滩工程三套泄洪设施之一。两条泄洪洞平行,其中心间距为40m,1、2号泄洪洞全长分别为924.24m和1 270.37m。两条泄洪洞承担的设计洪水泄流量为7400m3/s,校核洪水泄流量为7600m3/s,约占枢纽校核洪水流量的1/3,与常年洪水流量相当。

   泄洪洞进口主要由一短的引水渠、1号和2号泄洪洞闸室、事故检修门、启闭机排架以及弧形工作闸门等组成。由于二滩泄洪洞具有泄流量大、流速高(洞身最大流速达42~45m/s)的特点,且进口单个闸室结构将承担弧形闸门传来的2×4000t的巨大推力,因而使进口闸室结构设计变得较为复杂。

2 地形、地质条件

   二滩泄洪洞洞口位于二滩沟下游侧谷坡处,自然地形坡度为35°~45°,进口区地形受雅砻江和二滩沟的切割,形成了鼻梁状凸出的地形,两面临空,浅表层岩体风化强烈,岩体破碎,松弛明显。基岩以细粒杏仁状玄武岩为主,局部有细粒正长岩脉、凝灰质玄武岩穿插。进水口开挖后,出露的岩体大部分为弱风化中、下段(Ⅱ、Ⅲ类)岩体,大多呈块状镶嵌结构,在洞脸外侧坡的上部尚有部分弱风化上段(Ⅳ类)岩体,呈碎裂镶嵌结构,卸荷松弛较为明显,裂隙中普遍有次生夹泥充填。

   进口洞脸坡体中软弱结构面以f20断层和g7破碎带规模相对较大。f20断层由1号洞左侧顶部1205m高程向下斜穿洞脸直坡段,并延伸至2号洞底,倾向坡内,产状为ne35°~45°se∠60°~70°,一般宽为0.1~0.4m,破碎带由致密的角砾和岩屑组成,含少量断层泥。g7软弱破碎带主要分布在15号公路边坡及1号洞脸坡的中部,延至1205m高程消失。宽度为0.1~0.4m,产状为NE60°nw∠70°~75°,由岩屑及次生泥组成。

   闸室底板部位无较大的软弱带存在,岩体以Ⅱ、Ⅲ类为主,强度均一。

3 闸室结构布置

   根据水力学及泄洪消能布置要求,二滩泄洪洞进口采用浅水式短式进水口型式,分1号和2号闸室,两闸室纵轴线相距40m,闸室之间用伸缩缝将其分成两个独立的闸室单元。闸室基底高程为1156.50~1159.00m,闸室顶高程为1205.00m,底板厚4.0~6.5m,闸室总长52.0m。闸室为大孔口出流,设有检修闸门(b×h=13m×17m)和弧形工作闸门(b×h=13m×15m),检修闸门前缘平面宽度由21.0m收缩到13m,检修闸门前的胸墙厚2.0m,弧形闸门前的胸墙厚4.0m,中墩及边墩底部厚4.0m,顶部厚2.0~4.0m。闸室是在岩体开挖后回填混凝土。由于岩体开挖的稳定要求,闸室边墩在1190m以下开挖坡比为1∶0.25,其上为1∶0.6;中墩在1180m以下开挖坡比为1∶0.25,并在1180m处形成宽8.5m的岩台。弧形闸门支承臂长21.5m,传递2×4000t的弧门推力给支撑横梁。横梁高7.26m,宽5.9m,横梁背靠岩体,顶部与厚2.0m、宽13.5m的混凝土面板相连,共同把弧门推力传至岩体。

    闸室的底板、闸墩、胸墙以及洞脸墙等构成了一个空间的整体结构。具体布置见图1、2。
  

4 闸室结构三维有限元分析

4.1 基本岩体力学参数的选择

   岩体在开挖过程中因爆破松动,因此分析中将闸室结构建基面岩体弹性模量降低约1/2,具体力学参数见表1。
  

4.2 三维有限元模型的建立

   由于1号、2号闸室结构尺寸基本相似,考虑到f20断层和g7破碎带的分布特征,1号闸室的运行条件较2号闸室差,故分析中取1号闸室的全部结构及其周围的岩体建立模型,具体范围为:在底板以下取岩体深60m;沿水流(即x轴)方向,在闸室前取岩体长57m,闸室结构段长52.0m,闸室后取岩体长45~80m;后坡高取至1240~1265m高程;左闸墩后岩体取109m,右闸墩取至伸缩缝处。
     
4.3 计算工况、荷载及其组合

4.3.1 计算工况

   正常运行工况:闸前水位为设计洪水位1200.0m,弧形闸门关闭。

   非常运行工况:闸前水位为校核洪水位1203.5m,弧形闸门关闭。

   检修工况:闸前水位为设计洪水位1200.0m,检修闸门关闭。
4.3.2 荷 载

    ①岩体自重;
     ②闸室结构自重;

    ③正常运行工况下静水压力:静水压力传至弧形闸门的推力为2×4000t,此外在弧形闸门前闸墩的底板及迎水面上作用有37m水头,在弧形闸门胸墙上作用有20m水头;

    ④非常运行工况下静水压力;

    ⑤检修工况下静水压力:静水压力值同荷载③,检修闸门上的水压力传至检修门槽并作用在闸墩上;  ⑥闸底板扬压力:正常工况和检修工况下,齿墙底板及灌浆帷幕前水头为43.5m,在排水孔处降至13.2m,非常运行工况下相应增加3.5m;

    ⑦闸墩外侧渗透水压力:按0.3~0.6倍水头折减; 

    ⑧土压力:左、右闸墩背坡上填土至1205m高程,土容重为1.9t/m3,侧压系数取0.217;

    ⑨温度荷载:考虑均匀温降10℃。

4.3.3 荷载组合
  

4.4 线弹性应力与位移场分析

   分析表明,非常运行工况与正常运行工况相比,闸室的应力场分布规律一致,只是在非常运行工况下,闸前水位高出正常运行工况3.0m,由此引起的闸室各部位应力值略有增加。而在检修工况下,由于检修闸门关闭,与正常运行工况相比,弧形闸门闸室段内的拉应力值有所下降,其它部位的应力值分布规律与正常运行工况基本一致,该工况对闸室结构不起控制作用。因此,以下仅以正常运行工况为例,对闸室结构应力与位移场进行分析。

4.4.1 线弹性应力场分析
4.4.1.1 闸室结构内侧面(迎水面侧)应力分析

   (1)第一主应力为自重应力,自上而下逐步增加。在靠近弧形闸门支撑铰附近因受闸门向上推力的影响,压应力有所降低。

   (2)由弧形闸门推力造成的第三主应力(拉应力)方向朝向支撑铰,在闸墩内侧呈扇形分布。在温降情况下,第三主应力普遍增大,在支撑横梁下部及其与闸墩交接部位的拉应力比较大,最大值达1.64mpa,其它部位的拉应力都在1.3mpa以下。

   (3)闸室底板部位由于受基岩的约束,在温降情况下产生较大的拉应力。最大拉应力由0.6mpa增至1.37mpa,增加了0.77mpa。

   (4)在泄洪洞洞口支撑横梁上部的面板部位,其上部拉应力为0.20~0.45mpa,底部最大拉应力为0.40~1.09mpa。

   从总体上看,闸墩上的拉应力并不大,最大拉应力出现在支铰横梁的下部以及横梁与闸墩的交接处。温度应力的大小与闸室的约束条件有关,闸室底板因受基岩的约束,底板拐角处产生了拉应力集中现象。

4.4.1.2 闸室结构外侧面应力分析

   在不考虑温降情况下,闸墩外侧主要为压应力,在支撑横梁和闸墩交接处,由于受到弧形闸门上抬推力的影响,出现了一片较小的拉应力区,其最大值为0.18mpa。这说明闸墩外侧应力状况较好,由弧形闸门传来的上抬推力,大部分已由闸墩内侧的混凝土承担。

   在考虑温降情况下,应力值普遍有所增加,但量值不大。在支撑横梁部位,拉应力值由0.03mpa增加到0.10mpa;在闸室底板,最大拉应力达到1.12mpa。

4.4.2 线弹性位移场分析

   (1)受弧形闸门推力的影响,闸室结构最主要的位移矢量是沿水流方向,最大位移为0.298cm;其次为闸室结构的下沉位移,一般在0.15~0.19cm,而垂直于水流方向的侧向位移比较小。

   (2)在弧形闸门支撑横梁处,受到弧形闸门上抬推力的影响,该部位位移较大,横梁底部最大位移达到0.337cm,而洞口面板的位移为0.17~0.30cm。

   (3)在弧形闸门胸墙下部,沿x轴水流方向的位移为0.26cm,而弧形闸门支撑横梁下部的最大位移为0.337cm,两者相差0.077cm,说明弧形闸门的止水效果不会受影响。

4.5 非线性应力与位移场分析

4.5.1 非线性应力场分析

   分析表明,闸室结构出现塑性区的范围很小,仅出现在以下四个部位:即进口检修闸门胸墙的底部、洞口支撑横梁的下部及洞顶面板、支撑横梁与闸墩的交接处以及闸室底板拐角处。

 从总体上看,闸室结构塑性区内的应力转移后,拉应力有所减小,但量值不大。其中,支撑横梁与闸墩交接处拉应力由0.88mpa降至0.86mpa,底板拐角处最大拉应力由1.64mpa降至1.13mpa。其它部位的应力值及应力分布与线弹性分析结果基本一致。

4.5.2 非线性位移场分析

   非线性位移与线弹性位移的区别仅在塑性区部位,在应力转移和调整过程中,位移场也相应调整和变化。在支撑横梁处,沿水流方向最大线位移由0.337cm增至非线性位移0.346cm,其它塑性区部位非线性位移也有所增加。闸室结构的塑性区范围很小,大部分闸室结构应力均处于线弹性应力状态,因此非线性位移场的分布和大小与线弹性位移场基本一致。

4.6 闸室洞口后坡岩体塑性区与应力场分析

4.6.1 岩体塑性区分布

   受弧形闸门推力的影响,闸室洞口后坡岩体大部分处于线弹性应力状态,仅在洞口边坡拐角处以及f20断层带出现了塑性区,但范围较小,对边坡的稳定危害不大。

4.6.2 岩体应力场

   第一主应力为自重应力。在弧门推力的影响下,第三主应力朝向边坡的洞口面板,在面板范围内的岩体压应力为0.07~0.71mpa,而闸室未建前该部位岩体应力为0.12~0.58mpa,两者相比,应力平均增长约0.165mpa。这相当于弧形闸门总推力的66%已由洞口的支撑横梁及面板传至岩体承担,而剩下的34%荷载由闸墩承担,从而大大改善了闸墩的应力状态。

5 主要工程措施

   针对闸室结构及其周边围岩的应力与位移分布特点,设计中采取了以下主要工程措施:
   (1)由于闸室洞口坡体围岩将承担由弧形闸门推力传递的大部分荷载,因此保证洞口后坡岩
体的稳定和提高其岩石力学指标极其重要,这将极大地改善闸室结构的受力条件。考虑到该部位有f20断层及g7破碎带通过以及边坡在施工期和运行期的稳定,设计中对该部位岩体采取了加固处理措施,具体为:   
   对洞脸坡1180~1250m高程范围的岩体,进行挂网喷混凝土及锚杆、锚索支护。锚杆参数为32,l=8.0m与25,l=5m交错布置,间、排距2.0m;锚索长20m,吨位100t,共27根。并设48排水孔,间、排距3.0m;进行固结灌浆,孔长10m,间、排距3.0m,灌浆压力0.5mpa。

   对洞口1205~1235m高程范围的坡体,进行挂网喷锚支护及锚索支护。锚杆长5m,间距2m,部分地段设置长12m、吨位50t的小锚索,坡面设置排水孔。另在1205m高程设置岩石锚索11根,长度20m,吨位175t。

   (2)对闸墩外侧1190m高程以下与岩石边坡相接部位,采用带端钩的锚杆将衬砌与岩坡相连。

   (3)在闸首桩号0+0004.5m处的闸室底板下设帷幕灌浆和排水廊道,用以减小作用在闸室底板和闸墩上的渗透水压力。

   (4)对上述结构非线性分析中出现塑性区的部位,设计中采取了较其它部位更强的局部加强措施。

   (5)加强洞口坡体监测。在边坡1207m和1235m高程处分别设置多点位移计,以监测坡体的稳定。

   二滩泄洪洞进水口闸室于1998年全部建成。在1998年和1999年汛期,闸室已顺利下闸蓄水并开闸泄洪。初期运行情况表明,闸室结构工作状态良好。

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