深厚覆盖层下调压井运行过程三维有限元分析

雷光宇韩霁昌党发宁

(1.陕西省土地工程建设集团陕西西安710075；2.西安理工大学陕西西安710048)

深厚覆盖层下调压井运行过程三维有限元分析

雷光宇1,2韩霁昌1党发宁2

(1.陕西省土地工程建设集团陕西西安710075；2.西安理工大学陕西西安710048)

本文运用三维有限元分析方法，对复杂地质条件下的水电站调压井的运行过程进行了分析研究。通过对调压井结构最高涌波水位、最低涌波水位、正常运行期水位、检修期水位四种工况的受力及变形分析，得到各种工况下的最大应力发生区，以及四种工况下最大应力对比大小顺序为检修期、最低涌波水位、正常运行水、最高涌波水位。以期给类似工程提供施工参考。

水工结构工程；调压井；数值分析；运行工况

随着我国大型水电站建设的展开,水电站调压井结构向着体形大型化，地质条件多样化，受力条件复杂化的方向发展[1]。压井自身的结构形式也日益复杂。如何对调压井的体形结构形式进行设计，使之同时满足安全性和经济性的要求，是一个重要的课题[2]。

喜儿沟水电站位于甘肃省舟曲县憨班乡的白龙江干流上，是一座引水式电站，工程的任务是发电，枢纽主要建筑物包括：首部混凝土闸坝、发电引水隧洞、调压井及压力钢管、电站厂房及开关站等。水电站调压井布置在厂房背后的山坡上，上接引水隧洞，下接压力管道，调压井为阻抗式，顶部为敞开式。

该水电站调压井施工，工程采用先开挖，后衬砌，分层开挖，分层衬砌的施工方法。调压井采用钢筋混凝土衬砌，衬厚1.5m。引水隧洞长约8394.9m，为有压隧洞，洞径为7.5m，设计引用流量141m3/s，压力管道为无竖井的布置形式，调压井后为压力钢管，主管长度为184.3m，直径为5.8m，支管直径为3.2m，岔管采用“卜”形，分别与三条进厂支管连接。本工程的调压井布置有以下几个特点：地质条件差，上部为深厚覆盖层，下部岩石为绢英千枚岩，围岩破碎，呈薄状结构，完整性较差。因此有必要对调压井的施工过程进行分析。本文利用ANSYS软件的生死单元功能模拟调压井的施工开挖过程，确定合理的开挖支护方案，计算得到不同工况下井壁的受力大小和分布，以期给出相应的工程技术措施。

1 调压井的工程地质条件

调压井位于厂房后边坡Ⅳ级基座阶地的前缘，地面高程约为1622.0m，调压井处1554.0m高程以下为基岩，1554.0m高程以上为覆盖层。覆盖层厚度约68.2m，覆盖层上半部为淡黄色粉土和块碎石土，厚33.4m；下半部为冲洪积含漂石砂卵砾石层，厚34.8m。岩体呈薄层状结构，岩体完整性较差，围岩为Ⅳ类，微风化岩体呈薄板状结构，完整性中等，围岩为Ⅲ类，由于岩层倾角高陡，在施工过程中，井壁易产生坍塌破坏，应及时采取锚固和混凝土衬砌措施。岩体力学参数见表1。

2 有限元模型的建立及施工过程分析

本文假定沉井已经施工完成，沉井及其维护结构直接建在模型中。调压井施工从已开挖的上游引水隧洞到达阻抗孔下方，自上而下完成井筒、阻抗孔的开挖，再进行围岩支护，待开挖支护完成后自下而上进行混凝土衬砌，最后进行引水隧洞的衬砌。

表1 调压井围岩岩体力学参数建议值

2.1 计算模型及材料选取

根据地形地质资料，建立了如图1所示的整体模型，根据调压井的平面布置图，建立了如图2所示的调压井模型。三维计算模型中，为了消除边界效应，上下游方向各取200m，其中上游无地质资料，且地层变化对调压井受力影响不大，按现有地质资料向上游平行延伸处理；下游方向按所给地质资料建模。左右方向同样各取200m，按所提供地质资料建模，无地质资料时用已有地质资料向外平行延伸。计算域上部取至地表，下部取至标高1430m处，模型总高度约200m。坐标原点定在0.0m标高平面与调压井中轴线交点处。以引水隧洞轴线方向为y轴，指向上游为正；以垂直引水隧洞轴线的水平方向为x轴，指向左岸为正；以垂直方向为z轴，垂直向上为正。模型采用SOLID45单元进行划分，锚杆采用LINK8单元划分。模型共划分了24626个节点104697个单元。模型边界条件：四周侧面的平面外移动和平面内转动为零，底部采用固定约束使底面的位移为零。材料全部按弹塑性考虑[3-5]。

图1 整体有限元模型

图2 调压井有限元模型

2.2 调压井运行期的有限元分析

2.2.1 计算方案

运行期各工况三维有限元数值分析时，假定沉井、调压井下部滑模现浇混凝土，阻抗孔、引水隧洞部分施工完成，因此调压井阻抗孔引水隧洞部分及其维护结构直接建在模型中。

调压井运行期共设计了最高涌波水位1564.24m、最低涌波水位1517.07m、运行水位1531.42m以及放空检修四种工况，主要研究施加水荷载后调压井系统运行的受力变形及运行安全。

2.2.2 计算结果分析

（1）调压井最高涌波水位1564.24m时数值模拟

本工况计算时，高程1564.24m以下的沉井、调压井、阻抗孔以及引水隧洞内壁部分全部加静水压力进行计算。

就调压井上部沉井的衬砌来分析，由于本工况调压井水位高于沉井刃脚约11.24m，所以在沉井衬砌的内表面的下部作用有内水压力，该部分内水压力与衬砌外表面的部分土压力相抵消，使得沉井的受力有所减少。再分析调压井、阻抗孔的受力与位移变化，由于调压井、阻抗孔衬砌内全部作用有内水压力，内水压力作用的后果使得调压井、阻抗孔的最大应力和最大位移均有所减小，而且越靠近底部，内水压力越大，内水压力抵消掉的土压力越大，最大应力和最大位移的减小量也越大。

（2）调压井最低涌波水位1517.07m时数值模拟

本工况计算时，高程1517.07m以下的沉井、调压井、阻抗孔以及引水隧洞内壁部分全部加静水压力进行计算。

分析沉井、调压井衬砌的受力与位移，由于本工况调压井涌波水为1517.07m，低于沉井刃脚高程1553.00m约35.93m，也低于调压井顶部高程但高于调压井底部高程约1.00m，所以，本工况时沉井衬砌和调压井衬砌上的受力与变形与竣工期时基本相同。阻抗孔上的受力和位移变化，由于阻抗孔衬砌内表面处作用有内水压力，内水压力与衬砌外表面的部分土压力相抵消，衬砌的受力更加合理，使得阻抗孔的水平与垂直方向的力均有所减小。同时它的位移量也有所减小。

（3）调压井运行水位1531.42m时数值模拟

本工况计算时，高程1531.42m以下的沉井、调压井、阻抗孔以及引水隧洞内壁部分全部加静水压力进行计算。

由于本工况调压井正常运行水位为1531.42m，低于调压井顶部高程1554.5m但高于调压井底部高程1516.00m，内水压力作用在调压井系统衬砌的内表面，内水压力与衬砌外表面的部分土压力相抵消，衬砌的受力更加合理，使得受到水压力作用的衬砌表面处的水平与垂直方向应力均有所减小。与应力的变化规律相对应，受有水压力作用的衬砌表面的水平与垂直方向的位移量也有所减小。所以，本工况时沉井衬砌上的受力与变形与竣工期时基本相同，调压井衬砌底部的受力与变形与竣工期时相比略有减小，阻抗孔衬砌应力和变形的减小量稍大，引水隧洞衬砌的应力和变形有较大的减小。

（4）调压井检修时数值模拟

本工况计算时，调压井运行水位1531.42m高程以下的沉井、调压井、阻抗孔以及引水隧洞衬砌外壁部分全部加静水压力进行计算。调压井洞室系统内的水位全部放空，但该工况与调压井洞室系统竣工期没有蓄水前的情况不同，由于调压井长期在高水位下工作，加之水库蓄水改变了山体中的地下水位线，检修期时洞室衬砌系统除承受山体的土压力作用外，还将承受地下水位线以下的水压力，因此，该工况是调压井衬砌系统运行期中受力最不利的工况。调压井检修时计算结果见表2。

表2 调压井引水系统检修期各部位的受力与变形计算结果

由表2可以看出，调压井、阻抗孔的位移、应力值均较竣工期有所增加，调压井、阻抗孔X向的应力也基本左右对称，X向的最大应力均发生在井孔的上下游方向两侧，井孔壁处X向的应力随深度的增加而增大。其中，调压井横河X向的压（拉）应力最大值由竣工期时的-0.07（0）MPa增加至-1.26（-0. 08）MPa，阻抗孔横河X向的压（拉）应力最大值由竣工期时的-0.03（0.02）MPa增加至-1.82（0.09）MPa。调压井、阻抗孔顺河Y向的应力基本上下（指上下游方向）对称，Y向的最大应力均发生在井孔的左右岸方向两侧，Y向的应力随深度的增加而增大。其中，调压井顺河Y向的压（拉）应力最大值由竣工期时的-0.07（0）MPa增加至-1.04（0.07）MPa，阻抗孔顺河Y向的压（拉）应力最大值由竣工期时的-0.03（0.03）MPa增加至-1.04（0.2）MPa。调压井垂直Z向的压（拉）应力最大值由竣工期时的-0.05（0）MPa增加至-2.7（0.11）MPa，阻抗孔垂直Z向的压（拉）应力最大值由竣工期时的-0.05（0.01）MPa增加至-2.47（-0.03）MPa。

3 结语

（1）本文的研究证实了利用有限元进行调压井的运行模拟的可行性，该分析对于指导复杂地质条件下调压井的运行，具有较高的实用价值。

（2）本文证实了调压井在运行过程中，井壁应力大小顺序为检修期＞施工期＞最低涌波水位＞正常运行水＞最高涌波水位。

（3）通过对调压井各工况下的应力和变形的分析可知,调压井井身衬砌没有发生开裂，但是有些局部地方的拉应力比较大，可以考虑在这些部位加钢筋，以防止裂纹的产生。陕西水利

[1]卞康，肖明，任祎.复杂调压井结构的三维有限元分析计算[J].中国农村水利水电,2008,(03): 115-121.

[2]朱苦竹，李青麒，朱合华.不良围岩条件下水电站调压井衬砌结构选型研究[J].水力发电学报，2007，26(03):44-48.

[3]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社,1998.

[4]谢和平.岩石、混凝土损伤力学[M].北京:中国矿业大学出版社，1990.

[5]肖明.温变效应对大体积混凝土结构的损伤开裂分析[J].水力发电学报，1997，57（2）:8-18.

（责任编辑：畅妮）

TU 458

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