(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 引 言

馬巖洞水電站位于重慶市彭水縣境內(nèi)郁江中游河段，水庫正常蓄水位350.00m，總庫容0.45億m3。水電站樞紐由攔河壩、泄水建筑物、引水系統(tǒng)及地面廠房等組成。其中，攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高69m；泄水建筑物包含溢流表孔、左岸泄洪沖沙底孔；引水系統(tǒng)為一洞三機(jī)，包括進(jìn)水口、引水隧洞、上游調(diào)壓室和壓力鋼管及岔管；發(fā)電廠房配備三臺22MW混流式水輪發(fā)電機(jī)，主廠房尺寸59.0m×19.5m×38.6m(長×寬×高)。

依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，大壩、泄水建筑物和電站進(jìn)水口按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核。廠房按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核。工程永久性主要建筑物按3級建筑物設(shè)計(jì)，永久性次要建筑物按4級建筑物設(shè)計(jì)，臨時(shí)建筑物按5級建筑物設(shè)計(jì)。區(qū)域地震基本烈度為Ⅵ度，工程樞紐建筑物設(shè)計(jì)烈度均采用基本烈度，可不進(jìn)行地震作用計(jì)算。

本文針對馬巖洞水電站設(shè)計(jì)中的壩體穩(wěn)定復(fù)核、引水隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算、調(diào)壓井水力計(jì)算等技術(shù)問題展開分析，嚴(yán)格參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，依據(jù)工程實(shí)際勘察條件，給出了相應(yīng)的解決措施。

2 壩體穩(wěn)定復(fù)核

2.1 抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319—2005)規(guī)定，壩基及壩體抗滑穩(wěn)定應(yīng)符合極限狀態(tài)計(jì)算公式：

(1)

式中γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級結(jié)構(gòu)分別取1.1、1.0、0.9，故本文取0.9；

ψ——設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，對應(yīng)于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況分別取1.0、0.95、0.85；

S——作用效應(yīng)函數(shù)；

R——結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)；

GK——永久作用力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

QK——可變作用力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

γG——永久作用力分項(xiàng)系數(shù)，見表1；

γQ——可變作用力分項(xiàng)系數(shù)，見表1；

αK——幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，m；

fK——材料性能標(biāo)準(zhǔn)值；

γm——材料性能分項(xiàng)系數(shù)；

γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)，穩(wěn)定極限狀態(tài)取1.2，抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)取1.8。

表1 作用分項(xiàng)系數(shù)取值

其中，作用效應(yīng)函數(shù)：

S=∑PR

(2)

結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)：

R=fR∑WR+CRAR

(3)

式中 ∑PR——壩基面切向作用之和，kN；

∑WR——壩基面法向作用之和，kN；

fR——抗剪斷摩擦系數(shù)；

CR——抗剪斷黏聚力，kN；

AR——壩基面積，m2。

壩基處的抗滑穩(wěn)定分析對壩體的穩(wěn)定具有重要作用，本文分別取溢流壩、非溢流壩、泄洪沖沙底孔等壩段不同高程處斷面為計(jì)算典型，經(jīng)抗滑穩(wěn)定分析可知其穩(wěn)定承載力的極限狀態(tài)，見表2。

表2 壩基抗滑穩(wěn)定承載力極限狀態(tài)計(jì)算 (單位：kN)

注應(yīng)力以壓為“+”，拉為“-”。

由表2計(jì)算結(jié)果中可見，非溢流壩和溢流壩沿建基面的作用效應(yīng)值γ0ψS(·)均小于結(jié)構(gòu)抗力值R(·)/γd1說明壩基抗滑穩(wěn)定承載能力是滿足要求的。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

抗壓強(qiáng)度承載能力作用效應(yīng)函數(shù)：

(4)

抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)抗力函數(shù)：

R=fC

(5)

或

R=fR

式中 ∑MR——壩基面形心的力矩和，kN·m；

JR——壩基面對形心軸的慣性矩，m4；

TR——壩基面形心軸至下游面距離，m；

n——壩體下游壩面坡度，°；

fC——混凝土抗壓強(qiáng)度，kPa；

fR——基巖抗壓強(qiáng)度，kPa。

馬巖洞水電站壩體混凝土容重為24kN/m3，泥沙按50年淤積高程計(jì)算，不同計(jì)算情況及計(jì)算水位見表3。

表3 計(jì)算情況及相應(yīng)水位 (單位：m)

采用剛體極限平衡對壩體典型斷面進(jìn)行壩基強(qiáng)度承載能力計(jì)算，不同計(jì)算工況下溢流壩、非溢流壩、泄洪沖沙底孔等壩段的抗壓強(qiáng)度承載力極限狀態(tài)見表4。

表4 壩基抗壓強(qiáng)度承載力極限狀態(tài) (單位：kN/kPa)

注應(yīng)力以壓為“+”，拉為“-”。

由以上可知，各種作用效應(yīng)組合下壩踵垂直應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壩基垂直正應(yīng)力最大值小于基巖的允許承載力和混凝土允許抗壓強(qiáng)度承載力。因此，壩基抗壓強(qiáng)度承載力極限狀態(tài)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.3 碾壓混凝土層間抗滑穩(wěn)定及壩體強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài)分析

馬巖洞水電站碾壓混凝土壩壩體混凝土強(qiáng)度等級為C15，本文選取溢流壩段289.00m、309.00m、319.00m三個(gè)高程面和非溢流壩段320.00m、330.00m、340.00m三個(gè)高程面進(jìn)行強(qiáng)度極限承載力計(jì)算。其中，抗剪斷指標(biāo)取fk=0.9，CK=0.95。

計(jì)算分析中，選取作用效應(yīng)函數(shù)：

S=∑PC

(6)

抗滑穩(wěn)定抗力函數(shù)：

(7)

式中 ∑PC——計(jì)算層面上切向作用和，kN；

∑WC——計(jì)算層面上法向作用和，kN；

AC——計(jì)算層面面積，m2。

各高程碾壓層面的抗滑穩(wěn)定承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果見表5。

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展依賴于交通事業(yè)的發(fā)展，道路的四通八達(dá)才能促進(jìn)快速發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，運(yùn)輸和交流的不斷加強(qiáng)對道路的要求也越來越高。公路的舒適安全和暢通便捷，需要公路施工人員的不斷維修。設(shè)備在投入使用時(shí)，很多時(shí)候不是專業(yè)人員進(jìn)行跟蹤使用的，而是公路施工人員進(jìn)行的，因此在使用中就會出現(xiàn)不了解機(jī)械設(shè)備的情況，對設(shè)備在使用中的維護(hù)自然也做不到。其次單位在購買設(shè)備后，對于設(shè)備精通的人員較為缺乏，以及重視重大型機(jī)械設(shè)備而輕視小型機(jī)械設(shè)備的思想，在對機(jī)械設(shè)備的實(shí)際管理中，存在很大的弊端。

表5 層面抗滑穩(wěn)定承載力極限狀態(tài) (單位：kN)

由以上分析可知，碾壓混凝土層間抗滑穩(wěn)定滿足相關(guān)要求。在選擇合理的施工方法和適當(dāng)處理措施后，碾壓混凝土壩的層間結(jié)合抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 引水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

引水隧洞為3級建筑物，引水隧洞內(nèi)徑6.8m。整個(gè)隧洞穿越P1m、P1q、P1l、D3s、S2lr巖層，沿程最大埋深約300m，均位于完整巖石中，隧洞沿線都處于地下水位線以下，地下水位距洞頂最大距離110m左右。引水隧洞所經(jīng)圍巖類別分別為Ⅲ～Ⅴ類圍巖，巖體單位彈性抗力系數(shù)為5～30MPa/cm。

a.計(jì)算工況和荷載組合。

正常運(yùn)行工況：內(nèi)水壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力。

檢修工況：外水壓力+山巖壓力+襯砌自重+彈性抗力。

在計(jì)算中根據(jù)上游水位和調(diào)壓室涌浪水位推算出計(jì)算水頭；山巖壓力采用巖體塌落高度確定；外水壓力按地下水位線折減確定。

b.襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算。

襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279—2016)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)際開挖揭露地質(zhì)情況，對圍巖地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行折減。按正常使用極限狀態(tài)時(shí)，最大裂縫寬度允許值進(jìn)行設(shè)計(jì)：長期組合按0.25mm設(shè)計(jì)，短期組合按0.30mm設(shè)計(jì)。

表6 引水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算成果分析，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度50～80cm。引水隧洞在Ⅲ類圍巖地段采用單層筋5 22，在Ⅳ類圍巖地段結(jié)合隧洞承受壓力水頭采用單層或雙層筋5 25～6 25，局部Ⅴ類圍巖地段采用雙層筋6 28，均能滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算要求。

4 調(diào)壓井水力計(jì)算

4.1 穩(wěn)定斷面面積

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5058—1996)，調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積按照托馬準(zhǔn)則計(jì)算：

A=KAth=KLA1/[2g(α+1/2g)(H0-hw0-3hwm)]

(8)

式中Ath——托馬臨界穩(wěn)定斷面面積，m2；

L——壓力引水道長度，取4973.354m；

A1——壓力引水道斷面面積，m2；

H0——發(fā)電最小靜水頭，m；

α——水庫至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)，α=hw0/v2；

v——壓力引水道流速，m/s，v=Q/A1，Q=126.9m3/s；

hw0——壓力引水道水頭損失，取6.059m；

hwm——壓力管道水頭損失，取2.387m；

K——系數(shù)，一般取1.0～1.1。

由以上可知，A=264.48m2，故當(dāng)調(diào)壓井直徑取19m時(shí)，A=283.53m2>264.48m2，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 調(diào)壓井涌浪

a.丟棄負(fù)荷時(shí)最高涌浪。根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》(NBT 35021—2014)，按全部機(jī)組滿載運(yùn)行瞬時(shí)丟棄全負(fù)荷時(shí)的工況計(jì)算最高涌浪：

(λ′|Zmax|-1)+ln(λ′|Zmax|-1)

(9)

式中Zmax——丟棄全負(fù)荷時(shí)的最高涌浪，m。

經(jīng)計(jì)算，得出Zmax=21.33m，故調(diào)壓井最高涌浪水位為372.374m。

b.增加負(fù)荷時(shí)最低涌浪。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)負(fù)荷由兩臺機(jī)運(yùn)行突增至滿載時(shí)，計(jì)算最低涌浪：

ε=LA1v02/(gAhw02)

(10)

m′=Q/Q0

式中ε——壓力水道-調(diào)壓室系統(tǒng)的特性系數(shù)；

Q——增加負(fù)荷前流量，m3/s；

Q0——增加負(fù)荷后流量，m3/s。

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

5 結(jié) 語

馬巖洞水電站由攔河壩、泄水建筑物、引水隧洞、調(diào)壓井等組成，本文選取壩體穩(wěn)定復(fù)核、引水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算、調(diào)壓井水力計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究。依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，對不同壩段、不同高程、不同工況下的壩體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析、抗壓強(qiáng)度分析、承載力分析，得出壩體的穩(wěn)定符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，依據(jù)不同荷載組合情況，進(jìn)行引水隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出不同典型斷面的隧洞結(jié)構(gòu)。依據(jù)托馬準(zhǔn)則對調(diào)壓井的穩(wěn)定斷面面積進(jìn)行了校核，并對不同負(fù)荷狀態(tài)下的調(diào)壓井涌浪水位進(jìn)行了計(jì)算。

工程長期運(yùn)行監(jiān)測表明，其勘察設(shè)計(jì)過程科學(xué)合理，壩基抗滑穩(wěn)定承載能力滿足極限狀態(tài)要求，壩踵垂直應(yīng)力始終未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩基垂直應(yīng)力最大值小于基巖和混凝土允許承載能力，碾壓混凝土層間抗滑穩(wěn)定、抗剪強(qiáng)度滿足相關(guān)要求。通過設(shè)計(jì)過程計(jì)算分析，確定引水隧洞采用50～80cm混凝土襯砌，依據(jù)工程圍巖類別布設(shè)單層或雙層鋼筋，設(shè)定調(diào)壓井穩(wěn)定斷面直徑及最高、最低涌浪水位，經(jīng)綜合驗(yàn)證其設(shè)計(jì)參數(shù)均符合工程安全運(yùn)行要求。