马岩洞水电站枢纽建筑物力学性能研究

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 引 言

马岩洞水电站位于重庆市彭水县境内郁江中游河段，水库正常蓄水位350.00m，总库容0.45亿m3。水电站枢纽由拦河坝、泄水建筑物、引水系统及地面厂房等组成。其中，拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高69m；泄水建筑物包含溢流表孔、左岸泄洪冲沙底孔；引水系统为一洞三机，包括进水口、引水隧洞、上游调压室和压力钢管及岔管；发电厂房配备三台22MW混流式水轮发电机，主厂房尺寸59.0m×19.5m×38.6m(长×宽×高)。

依据相关设计规范，大坝、泄水建筑物和电站进水口按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。厂房按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。工程永久性主要建筑物按3级建筑物设计，永久性次要建筑物按4级建筑物设计，临时建筑物按5级建筑物设计。区域地震基本烈度为Ⅵ度，工程枢纽建筑物设计烈度均采用基本烈度，可不进行地震作用计算。

本文针对马岩洞水电站设计中的坝体稳定复核、引水隧道结构计算、调压井水力计算等技术问题展开分析，严格参照相关设计规范，依据工程实际勘察条件，给出了相应的解决措施。

2 坝体稳定复核

2.1 抗滑稳定分析

根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319—2005)规定，坝基及坝体抗滑稳定应符合极限状态计算公式：

(1)

式中γ0——结构重要性系数，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级结构分别取1.1、1.0、0.9，故本文取0.9；

ψ——设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况分别取1.0、0.95、0.85；

S——作用效应函数；

R——结构抗力函数；

GK——永久作用力标准值，kN；

QK——可变作用力标准值，kN；

γG——永久作用力分项系数，见表1；

γQ——可变作用力分项系数，见表1；

αK——几何参数标准值，m；

fK——材料性能标准值；

γm——材料性能分项系数；

γd——结构系数，稳定极限状态取1.2，抗压强度极限状态取1.8。

表1 作用分项系数取值

其中，作用效应函数：

S=∑PR

(2)

结构抗力函数：

R=fR∑WR+CRAR

(3)

式中 ∑PR——坝基面切向作用之和，kN；

∑WR——坝基面法向作用之和，kN；

fR——抗剪断摩擦系数；

CR——抗剪断黏聚力，kN；

AR——坝基面积，m2。

坝基处的抗滑稳定分析对坝体的稳定具有重要作用，本文分别取溢流坝、非溢流坝、泄洪冲沙底孔等坝段不同高程处断面为计算典型，经抗滑稳定分析可知其稳定承载力的极限状态，见表2。

表2 坝基抗滑稳定承载力极限状态计算 (单位：kN)

注应力以压为“+”，拉为“-”。

由表2计算结果中可见，非溢流坝和溢流坝沿建基面的作用效应值γ0ψS(·)均小于结构抗力值R(·)/γd1说明坝基抗滑稳定承载能力是满足要求的。

2.2 抗压强度分析

抗压强度承载能力作用效应函数：

(4)

抗压强度极限状态抗力函数：

R=fC

(5)

或

R=fR

式中 ∑MR——坝基面形心的力矩和，kN·m；

JR——坝基面对形心轴的惯性矩，m4；

TR——坝基面形心轴至下游面距离，m；

n——坝体下游坝面坡度，°；

fC——混凝土抗压强度，kPa；

fR——基岩抗压强度，kPa。

马岩洞水电站坝体混凝土容重为24kN/m3，泥沙按50年淤积高程计算，不同计算情况及计算水位见表3。

表3 计算情况及相应水位 (单位：m)

采用刚体极限平衡对坝体典型断面进行坝基强度承载能力计算，不同计算工况下溢流坝、非溢流坝、泄洪冲沙底孔等坝段的抗压强度承载力极限状态见表4。

表4 坝基抗压强度承载力极限状态 (单位：kN/kPa)

注应力以压为“+”，拉为“-”。

由以上可知，各种作用效应组合下坝踵垂直应力均未出现拉应力，且坝基垂直正应力最大值小于基岩的允许承载力和混凝土允许抗压强度承载力。因此，坝基抗压强度承载力极限状态满足相关规范要求。

2.3 碾压混凝土层间抗滑稳定及坝体强度承载能力极限状态分析

马岩洞水电站碾压混凝土坝坝体混凝土强度等级为C15，本文选取溢流坝段289.00m、309.00m、319.00m三个高程面和非溢流坝段320.00m、330.00m、340.00m三个高程面进行强度极限承载力计算。其中，抗剪断指标取fk=0.9，CK=0.95。

计算分析中，选取作用效应函数：

S=∑PC

(6)

抗滑稳定抗力函数：

(7)

式中 ∑PC——计算层面上切向作用和，kN；

∑WC——计算层面上法向作用和，kN；

AC——计算层面面积，m2。

各高程碾压层面的抗滑稳定承载能力极限状态计算结果见表5。

经济的发展依赖于交通事业的发展，道路的四通八达才能促进快速发展。在经济飞速发展的今天，运输和交流的不断加强对道路的要求也越来越高。公路的舒适安全和畅通便捷，需要公路施工人员的不断维修。设备在投入使用时，很多时候不是专业人员进行跟踪使用的，而是公路施工人员进行的，因此在使用中就会出现不了解机械设备的情况，对设备在使用中的维护自然也做不到。其次单位在购买设备后，对于设备精通的人员较为缺乏，以及重视重大型机械设备而轻视小型机械设备的思想，在对机械设备的实际管理中，存在很大的弊端。

表5 层面抗滑稳定承载力极限状态 (单位：kN)

由以上分析可知，碾压混凝土层间抗滑稳定满足相关要求。在选择合理的施工方法和适当处理措施后，碾压混凝土坝的层间结合抗剪断强度指标满足设计要求。

3 引水隧洞结构计算

引水隧洞为3级建筑物，引水隧洞内径6.8m。整个隧洞穿越P1m、P1q、P1l、D3s、S2lr岩层，沿程最大埋深约300m，均位于完整岩石中，隧洞沿线都处于地下水位线以下，地下水位距洞顶最大距离110m左右。引水隧洞所经围岩类别分别为Ⅲ～Ⅴ类围岩，岩体单位弹性抗力系数为5～30MPa/cm。

a.计算工况和荷载组合。

正常运行工况：内水压力+山岩压力+衬砌自重+弹性抗力。

检修工况：外水压力+山岩压力+衬砌自重+弹性抗力。

在计算中根据上游水位和调压室涌浪水位推算出计算水头；山岩压力采用岩体塌落高度确定；外水压力按地下水位线折减确定。

b.衬砌结构计算。

衬砌结构设计根据《水工隧洞设计规范》(SL279—2016)进行计算，根据实际开挖揭露地质情况，对围岩地质参数进行折减。按正常使用极限状态时，最大裂缝宽度允许值进行设计：长期组合按0.25mm设计，短期组合按0.30mm设计。

表6 引水隧洞结构计算

根据结构计算成果分析，引水隧洞采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度50～80cm。引水隧洞在Ⅲ类围岩地段采用单层筋5 22，在Ⅳ类围岩地段结合隧洞承受压力水头采用单层或双层筋5 25～6 25，局部Ⅴ类围岩地段采用双层筋6 28，均能满足结构计算要求。

4 调压井水力计算

4.1 稳定断面面积

根据《水电站调压室设计规范》(DL/T 5058—1996)，调压室的稳定断面面积按照托马准则计算：

A=KAth=KLA1/[2g(α+1/2g)(H0-hw0-3hwm)]

(8)

式中Ath——托马临界稳定断面面积，m2；

L——压力引水道长度，取4973.354m；

A1——压力引水道断面面积，m2；

H0——发电最小静水头，m；

α——水库至调压室水头损失系数，α=hw0/v2；

v——压力引水道流速，m/s，v=Q/A1，Q=126.9m3/s；

hw0——压力引水道水头损失，取6.059m；

hwm——压力管道水头损失，取2.387m；

K——系数，一般取1.0～1.1。

由以上可知，A=264.48m2，故当调压井直径取19m时，A=283.53m2>264.48m2，满足设计要求。

4.2 调压井涌浪

a.丢弃负荷时最高涌浪。根据《水电站调压室设计规范》(NBT 35021—2014)，按全部机组满载运行瞬时丢弃全负荷时的工况计算最高涌浪：

(λ′|Zmax|-1)+ln(λ′|Zmax|-1)

(9)

式中Zmax——丢弃全负荷时的最高涌浪，m。

经计算，得出Zmax=21.33m，故调压井最高涌浪水位为372.374m。

b.增加负荷时最低涌浪。根据规范要求，当负荷由两台机运行突增至满载时，计算最低涌浪：

ε=LA1v02/(gAhw02)

(10)

m′=Q/Q0

式中ε——压力水道-调压室系统的特性系数；

Q——增加负荷前流量，m3/s；

Q0——增加负荷后流量，m3/s。

由以上可知，m′=0.5，ε=17.46，推得Zmin=23.54m，最低涌浪水位为332.248m。

5 结 语

马岩洞水电站由拦河坝、泄水建筑物、引水隧洞、调压井等组成，本文选取坝体稳定复核、引水隧洞结构计算、调压井水力计算等关键技术问题进行研究。依据相关规程规范，对不同坝段、不同高程、不同工况下的坝体进行抗滑稳定分析、抗压强度分析、承载力分析，得出坝体的稳定符合相关设计要求。同时，依据不同荷载组合情况，进行引水隧洞的衬砌结构计算，得出不同典型断面的隧洞结构。依据托马准则对调压井的稳定断面面积进行了校核，并对不同负荷状态下的调压井涌浪水位进行了计算。

工程长期运行监测表明，其勘察设计过程科学合理，坝基抗滑稳定承载能力满足极限状态要求，坝踵垂直应力始终未出现拉应力，坝基垂直应力最大值小于基岩和混凝土允许承载能力，碾压混凝土层间抗滑稳定、抗剪强度满足相关要求。通过设计过程计算分析，确定引水隧洞采用50～80cm混凝土衬砌，依据工程围岩类别布设单层或双层钢筋，设定调压井稳定断面直径及最高、最低涌浪水位，经综合验证其设计参数均符合工程安全运行要求。