CN107908866B - 一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法 - Google Patents

一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法，它包括如下步骤：①采用刚体极限平衡法计算常规楔形堵头计算长度L0；②采用三维有限元法对直柱形堵头和常规楔形堵头进行计算分析，得出楔形效应所提供的安全储备P0；③分别计算直柱形堵头围岩支护锚杆和堵头下游段衬砌提供的安全储备Pm、Pc，及其之和P1＝Pm+Pc；④对比P1和P0，若P1≥P0，取直柱形堵头计算长度Lj＝L0；若P1＜P0，其差额通过增加堵头长度ΔL来提供，取Lj＝L0+ΔL；⑤取直柱形堵头设计长度Lz≥Lj。本发明克服了现有直柱形堵头相较于常规楔形堵头挡水额外安全储备下降的不足，是对现有堵头长度设计方法的补充完善，有利于推动直柱形堵头在导流隧洞特别是大型导流隧洞封堵工程中的应用。

Description

一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法
技术领域
本发明涉及到水利水电工程施工导流技术领域，更加具体地是一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法。
背景技术
水利水电工程导流隧洞完成导流任务后，需采用混凝土堵头进行封堵，与大坝一起挡水运行，其设计级别与大坝相同。《水工隧洞设计规范》(DL5195-2004)规定，“封堵体的型式依据水工隧洞的断面形状、施工条件、工程地质条件等因素选定。封堵体纵断面的型式宜优先选用楔形。”国内部分已建大型水电工程导流隧洞永久堵头特性见表1。
表1国内部分已建大型水电工程导流隧洞永久堵头特性表
Figure BDA0001468222980000011
楔形堵头具有超载能力较强的优点，但也存在若干不足，主要有：楔形扩挖增加施工安全风险、破坏岩体、延长施工工期、工程投资较大、影响导流隧洞水流流态及运行安全等。
采用直柱形堵头可克服上述不足，节省工期、简化施工、降低施工安全风险等，但直柱形堵头与楔形堵头长度计算方法采用现行有关规范的规定，没有区别，楔形效应作为安全储备，没有参与计算。简述如下：
根据《水工建筑物荷载设计规范》(DL 5077-1997)，承载能力极限状态采用下列表达式：
Figure BDA0001468222980000021
式(V)中：S(·)为作用效应函数；R(·)为结构抗力函数；γ0为结构重要性系数，对于结构安全级别为I、II、III级的结构或构件，可分别采用1.1，1.0，0.9；ψ为设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，应分别取1.0，0.95，0.85；γd为承载能力极限状态的结构系数；ak为几何参数的标准值；fk为材料性能的标准值；γm为材料性能的分项系数；Gk为永久作用的标准值；γG为永久作用的分项系数；Qk为可变作用的标准值；γQ为可变作用的分项系数。
根据《水工隧洞设计规范》(DL/T 5195-2004)，导流隧洞堵头长度根据堵头混凝土与基岩交界面的抗滑稳定性按照下式进行计算，作用效应函数S(·)和抗力函数R(·)的计算公式分别如下：
S(·)＝∑PR VI
R(·)＝fR∑WR+CRAR VII
式(VI)和(VII)中：∑PR为滑动面上封堵体承受的全部切向作用之和，取堵头上、下游面作用水压力之差(kN)；∑WR为滑动面上封堵体全部法向作用之和，取全堵头砼(浮容重)重量，向下为正(kN)；fR为砼与围岩间抗剪断摩擦系数；CR为砼与围岩的粘聚力(kPa)；AR为除顶拱90°～120°以外封堵体与围岩接触面的面积(m2)。
导流隧洞永久堵头挡水时遭遇设计洪水属于持久设计状况，遭遇校核洪水属于偶然设计状况，设计状况系数、荷载作用等分项系数按照《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077-1997)选取；结构系数、材料性能的分项系数参照《混凝土重力坝设计规范》(NB/T35026-2014)选取。根据导流隧洞施工开挖所揭示的围岩情况，结合室内外试验选取堵头混凝土与岩体间抗剪断计算参数取值。
对于高压隧洞堵头，有关规范还要求采用有限元法计算分析。
鉴于楔形堵头具有额外的超载能力，如果直接采用直柱形堵头代替楔形堵头，会带来堵头挡水额外安全储备降低的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法。
本发明的目的是通过如下措施来实施的：一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法，它包括如下步骤：
①、采用刚体极限平衡法计算得出常规楔形堵头计算长度L0，楔形效应作为安全储备，不参与计算；
②、采用三维有限元法对直柱形堵头和所述的常规楔形堵头进行计算分析，得出在所述的常规楔形堵头计算长度L0条件下，楔形效应所提供的安全储备P0；
③、综合考虑所述的直柱形堵头所在的地质条件、施工条件等综合因素，初步拟定可增加所述的直柱形堵头安全储备的结构措施，所述的结构措施主要包括：围岩支护锚杆和堵头下游段衬砌、堵头长度增加段；
④、计算得出所述的围岩支护锚杆结构措施所提供的安全储备Pm，Pm计算公式为：
Figure BDA0001468222980000031
式(VIII)中，Rm(·)为堵头段所述的围岩支护锚杆抗力函数；S(·)为所述的直柱形堵头运行期作用效应函数；n为所述的围岩支护锚杆根数；As为所述的围岩支护锚杆单根横截面积(mm2)；fgv为所述的围岩支护锚杆设计抗剪强度(MPa)；∑PR为所述的直柱形堵头滑动面上承受的全部切向作用之和(kN)；
⑤、计算得出所述的直柱形堵头下游段衬砌结构措施所提供的安全储备Pc，Pc计算公式为：
Figure BDA0001468222980000041
式(IX)中，Rc(·)为所述的堵头下游段衬砌抗剪出抗力函数；S(·)为堵头运行期作用效应函数；fc为所述的堵头下游段衬砌设计抗剪强度(MPa)；AL为所述的堵头下游段衬砌剪切破裂面面积(mm2)；SL为所述的堵头下游段衬砌中心线环向周长(m)；B为所述的堵头下游段衬砌厚度(m)；β为所述的堵头下游段衬砌剪切破裂面与水平面夹角；∑PR为所述的直柱形堵头滑动面上堵头承受的全部切向作用之和(kN)；
⑥、计算得出所述的围岩支护锚杆和堵头下游段衬砌等结构措施所提供的安全储备之和P1，P1计算公式为：
P1＝Pm+PcX
式(X)中，Pm为所述的围岩支护锚杆结构措施所提供的安全储备；Pc为所述的堵头下游段衬砌结构措施所提供的安全储备；
⑦、对比所述的常规楔形堵头楔形效应所提供的安全储备P0与所述的围岩支护锚杆和堵头下游段衬砌等结构措施所提供的安全储备之和P1，若P1大于或等于P0，则取所述的直柱形堵头计算长度Lj＝L0；若P1小于P0，则其差额通过所述的堵头长度增加段结构措施来提供；
⑧、计算得出所述的堵头长度增加段计算长度ΔL，ΔL计算公式为：
Figure BDA0001468222980000042
式(XI)中，P0为所述的楔形效应所提供的安全储备；P1为所述的围岩支护锚杆和堵头下游段衬砌结构措施所提供的安全储备之和；L0为所述的常规楔形堵头计算长度；
⑨、取所述的直柱形堵头计算长度为Lj＝L0+ΔL；
⑩、取所述的直柱形堵头设计长度Lz≥Lj。
在上述技术方案中：采用三维有限单元法计算出所述的楔形堵头楔形效应所提供的安全储备P0；采用刚体极限平衡法计算出所述的围岩支护锚杆和堵头下游段衬砌结构措施所分别提供的安全储备Pm、Pc，及其之和P1。
在上述技术方案中：对比所述的P1和P0，若P1大于或等于P0，取所述的直柱形堵头计算长度Lj为所述的常规楔形堵头计算长度L0；若P1小于P0，则其差额通过所述的堵头长度增加段结构措施来提供，计算所述的堵头长度增加段计算长度漆L，取所述的直柱形堵头计算长度Lj＝L0+ΔL。
在上述技术方案中：所述的直柱形堵头设计长度Lz要求大于或等于所述的直柱形堵头计算长度Lj。
在上述技术方案中：所述的围岩支护锚杆为所述的直柱形堵头长度L0堵头段导流隧洞围岩初期支护所布置的锚杆，所述的堵头下游段衬砌为所述的直柱形堵头堵头下游段导流隧洞后期混凝土衬砌。
本发明包括如下优点：
(1)采用围岩支护锚杆、堵头下游段衬砌和增加堵头长度等结构措施，使直柱形堵头额外安全储备不小于常规楔形堵头楔形效应提供的安全储备，解决了直柱形堵头相较于常规楔形堵头挡水安全额外安全储备下降的不足的问题，有利于发挥直柱形堵头施工风险较小、简化施工、节省工程投资、缩短工期的优势，克服常规楔形堵头存在的不足。(如乌东德水电站工程左右岸1#～4#导流隧洞，常规楔形堵头楔形效应提供的安全储备为14.0％～20.0％，考虑围岩支护锚杆和堵头下游段衬砌提供的抗剪力形成的安全储备后，直柱形堵头安全储备为20.9％～61.5％，大于常规楔形堵头楔形效应形成的安全储备。考虑到乌东德水电站工程的重要性，直柱形堵头在大型导流隧洞中尚属首次采用，在不增加堵头浇筑段数的条件下，各条导流隧洞堵头设计长度均在其计算长度的基础上增加12.0m～19.0m，采用增加堵头长度结构措施后，直柱形堵头结构措施形成的额外安全储备达到55.8％～102.0％，进一步提高了直柱形堵头的挡水安全性，如表2所示。)
(2)本技术方案为导流隧洞直柱形堵头长度设计新方法，是对现有堵头长度设计方法的有益补充，有利于直柱形堵头的推广应用。
(3)将楔形堵头楔形效应定量化分析，有利于精细化设计理念的落实，提高导流隧洞堵头设计水平。
表2乌东德水电站1#～4#导流隧洞堵头安全储备对比表
Figure BDA0001468222980000061
附图说明
图1导流隧隧洞直柱形堵头长度设计方法框架图。
图2为常规楔形堵头平面布置图。
图3导流隧隧洞直柱形堵头平面布置图。
图4导流隧隧洞直柱形堵头堵头下游段衬砌抗剪力计算简图
图中：堵头下游段衬砌1、常规楔形堵头2、直柱形堵头3、灌浆廊道4、大坝主帷幕线5、围岩支护锚杆6、堵头长度增加段7。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
参照图1-4所示：一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法，
它包括如下步骤：
①、采用刚体极限平衡法计算得出常规楔形堵头2计算长度L0，楔形效应作为安全储备，不参与计算；
②、采用三维有限元法对直柱形堵头3和所述的常规楔形堵头2进行计算分析，得出在所述的常规楔形堵头2计算长度L0条件下，楔形效应所提供的安全储备P0；
③、综合考虑所述的直柱形堵头3所在的地质条件、施工条件等综合因素，初步拟定可增加所述的直柱形堵头3安全储备的结构措施，所述的结构措施主要包括：围岩支护锚杆6和堵头下游段衬砌1、堵头长度增加段7；
④、计算得出所述的围岩支护锚杆6结构措施所提供的安全储备Pm，Pm计算公式为：
Figure BDA0001468222980000071
式(XII)中，Rm(·)为堵头段所述的围岩支护锚杆6抗力函数；S(·)为所述的直柱形堵头3运行期作用效应函数；n为所述的围岩支护锚杆6根数；As为所述的围岩支护锚杆6单根横截面积(mm2)；fgv为所述的围岩支护锚杆6设计抗剪强度(MPa)；∑PR为所述的直柱形堵头3滑动面上承受的全部切向作用之和(kN)；
⑤、计算得出所述的直柱形堵头3下游段衬砌1结构措施所提供的安全储备Pc，Pc计算公式为：
Figure BDA0001468222980000072
式(XIII)中，Rc(·)为所述的堵头下游段衬砌1抗剪出抗力函数；S(·)为堵头运行期作用效应函数；fc为所述的堵头下游段衬砌1设计抗剪强度(MPa)；AL为所述的堵头下游段衬砌1剪切破裂面面积(mm2)；SL为所述的堵头下游段衬砌1中心线环向周长m；B为所述的堵头下游段衬砌1厚度(m)；β为所述的堵头下游段衬砌1剪切破裂面与水平面夹角；∑PR为所述的直柱形堵头3滑动面上堵头承受的全部切向作用之和(kN)；
⑥、计算得出所述的围岩支护锚杆6和堵头下游段衬砌1等结构措施所提供的安全储备之和P1，P1计算公式为：
P1＝Pm+PcXIV
式(XIV)中，Pm为所述的围岩支护锚杆6结构措施所提供的安全储备；Pc为所述的堵头下游段衬砌1结构措施所提供的安全储备；
⑦、对比所述的常规楔形堵头2楔形效应所提供的安全储备P0与所述的围岩支护锚杆6和堵头下游段衬砌1等结构措施所提供的安全储备之和P1，若P1大于或等于P0，则取所述的直柱形堵头3计算长度Lj＝L0；若P1小于P0，则其差额通过所述的堵头长度增加段7结构措施来提供；
⑧、计算得出所述的堵头长度增加段7计算长度ΔL，ΔL计算公式为：
Figure BDA0001468222980000081
式(XV)中，P0为所述的楔形效应所提供的安全储备；P1为所述的围岩支护锚杆6和堵头下游段衬砌1结构措施所提供的安全储备之和；L0为所述的常规楔形堵头2计算长度；
⑨、取所述的直柱形堵头3计算长度为Lj＝L0+ΔL；
⑩、取所述的直柱形堵头3设计长度Lz≥Lj。
在步骤⑩中：所述的直柱形堵头3设计长度Lz要求大于或等于所述的直柱形堵头3计算长度Lj。
上述未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (5)

1.一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法，其特征在于：它包括如下步骤：
①、采用刚体极限平衡法计算得出常规楔形堵头(2)计算长度L0；
②、采用三维有限元法对直柱形堵头(3)和所述的常规楔形堵头(2)分别进行计算分析，得出在所述的常规楔形堵头(2)计算长度L0条件下，楔形效应所提供的安全储备P0；
③、综合考虑所述的直柱形堵头(3)所在的地质条件、施工条件，初步拟定可增加所述的直柱形堵头(3)安全储备的结构措施，所述的结构措施包括：围岩支护锚杆(6)和堵头下游段衬砌(1)、堵头长度增加段(7)；
④、计算得出所述的围岩支护锚杆(6)结构措施所提供的安全储备Pm，Pm计算公式为：
Figure FDA0004140476650000011
式(I)中，Rm(·)为堵头段所述的围岩支护锚杆(6)抗力函数；S(·)为所述的直柱形堵头(3)运行期作用效应函数；n为所述的围岩支护锚杆(6)根数；As为所述的围岩支护锚杆(6)单根横截面积(mm2)；fgv为所述的围岩支护锚杆(6)设计抗剪强度(MPa)；∑PR为所述的直柱形堵头(3)滑动面上承受的全部切向作用之和(kN)；
⑤、计算得出所述的直柱形堵头(3)堵头下游段衬砌(1)结构措施所提供的安全储备Pc，Pc计算公式为：
Figure FDA0004140476650000012
式(II)中，Rc(·)为所述的堵头下游段衬砌(1)抗剪出抗力函数；S(·)为堵头运行期作用效应函数；fc为所述的堵头下游段衬砌(1)设计抗剪强度(MPa)；AL为所述的堵头下游段衬砌(1)剪切破裂面面积(mm2)；SL为所述的堵头下游段衬砌(1)中心线环向周长(m)；B为所述的堵头下游段衬砌(1)厚度(m)；β为所述的堵头下游段衬砌(1)剪切破裂面与水平面夹角；∑PR为所述的直柱形堵头(3)滑动面上堵头承受的全部切向作用之和(kN)；
⑥、计算得出所述的围岩支护锚杆(6)和堵头下游段衬砌(1)结构措施所提供的安全储备之和P1，P1计算公式为：
P1＝Pm+PcIII
式(III)中，Pm为所述的围岩支护锚杆(6)结构措施所提供的安全储备；Pc为所述的堵头下游段衬砌(1)结构措施所提供的安全储备；
⑦、对比所述的常规楔形堵头(2)楔形效应所提供的安全储备P0与所述的围岩支护锚杆(6)和堵头下游段衬砌(1)结构措施所提供的安全储备之和P1，若P1大于或等于P0，则取所述的直柱形堵头(3)计算长度Lj＝L0；若P1小于P0，则其差额通过所述的堵头长度增加段(7)结构措施来提供；
⑧、计算得出所述的堵头长度增加段(7)计算长度L，L计算公式为：
Figure FDA0004140476650000021
式(IV)中，P0为所述的楔形效应所提供的安全储备；P1为所述的围岩支护锚杆(6)和堵头下游段衬砌(1)结构措施所提供的安全储备之和；L0为所述的常规楔形堵头(2)计算长度；
⑨、取所述的直柱形堵头(3)计算长度为Lj＝L0+ΔL；
⑩、取所述的直柱形堵头(3)设计长度Lz≥Lj。
2.根据权利要求1所述的一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法，其特征在于：采用三维有限单元法计算出所述的常规楔形堵头(2)楔形效应所提供的安全储备P0；采用刚体极限平衡法计算出所述的围岩支护锚杆(6)和堵头下游段衬砌(1)结构措施所分别提供的安全储备Pm、Pc，及其之和P1。
3.根据权利要求1或2所述的一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法，其特征在于：对比所述的P1和P0，若P1大于或等于P0，取所述的直柱形堵头(3)计算长度Lj为所述的常规楔形堵头(2)计算长度L0；若P1小于P0，则其差额通过所述的堵头长度增加段(7)结构措施来提供，计算所述的堵头长度增加段(7)计算长度ΔL，取所述的直柱形堵头(3)计算长度Lj＝L0+ΔL。
4.根据权利要求3所述的一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法，其特征在于：所述的直柱形堵头(3)设计长度Lz要求大于或等于所述的直柱形堵头(3)计算长度Lj。
5.根据权利要求4所述的一种导流隧洞直柱形堵头长度设计方法，其特征在于：所述的围岩支护锚杆(6)为所述的直柱形堵头(3)长度L0堵头段导流隧洞围岩初期支护所布置的锚杆，所述的堵头下游段衬砌(1)为所述的直柱形堵头(3)堵头下游端导流隧洞后期混凝土衬砌。
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