張 偉，房 剛，王穎甜

(1.黃河水利委員會黃河上中游管理局，陜西 西安 710021;2.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安710001)

1 工程概況

下坂地水利樞紐工程位于塔里木河主要源流之一的葉爾羌河支流塔什庫爾干河中下游，距塔什庫爾干縣縣城45 km，距喀什市315 km。該工程屬于大(Ⅱ)型Ⅱ等工程。導(dǎo)流泄洪洞采用壓力進口后接明流隧洞，全長1 426 m，斷面尺寸，設(shè)計泄量750 m3/s，最大流速25 m/s(壓力孔口)。隧洞在施工導(dǎo)流期為導(dǎo)流洞，在運行期為樞紐唯一的泄洪設(shè)施。為保證大壩的度汛安全，增設(shè)一側(cè)槽溢洪道，軸線與隧洞重合，最大泄量為920 m3/s。導(dǎo)流泄洪洞底洞由進口及豎井段、洞身段、出口挑流鼻坎段組成。

進口八字墻段及涵洞段基礎(chǔ)大部分坐落在軟基上，軟基從上到下依次為土夾礫層、卵石層、淤泥質(zhì)粘土層、軟粘土層及漂塊石層。進口段自然邊坡主要為松散的塊石、碎石及砂土組成。豎井閘室段巖性上部為第三巖性段角閃片巖，薄層狀，裂隙發(fā)育，間距10～15 cm。下部為第二巖性段的角閃片麻巖，裂隙較為發(fā)育，完整性較差。

豎井四周有回填拋石混凝土、水壓力及山體巖石地基相互作用等荷載，若采用傳統(tǒng)的簡化方法進行計算，其結(jié)果則難以反映其體型復(fù)雜、截面突變、剛度變化以及大孔口等因素，并對其力學性能的影響不可能準確地反映各個部位的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況。因此，通過對導(dǎo)流泄洪底洞進口及豎井段抗震穩(wěn)定性三維有限元分析，為該工程設(shè)計階段提供可靠依據(jù)，并對泄洪洞結(jié)構(gòu)計算研究提供參考。

2 計算模型和參數(shù)

2.1 計算模型

根據(jù)導(dǎo)流泄洪底洞進口地形圖、開挖設(shè)計圖、進口及豎井段地質(zhì)縱剖面圖、導(dǎo)流泄洪底洞工程地質(zhì)條件報告，建立山體最初模型，為避免由于不規(guī)則的幾何模型導(dǎo)致的劃分網(wǎng)格失敗或出現(xiàn)奇異單元，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成較大的計算誤差，將山體稍做簡化，簡化后模型更加規(guī)則，同時也保持了原模型的幾何特征和性質(zhì)。為簡化建模過程，分別建立山體和泄洪洞模型，利用 ANSYS建模工具中的 CDWRITE、CDREAD將兩模型合并起來形成最終的模型。

有限元分析中針對建立的有限元模型，采用ANSYS中的BEAM188 3D梁單元模擬樁，采用SOLID45單元模擬其余的三維實體模型。其網(wǎng)格如圖1，單元個數(shù)為139 716個、結(jié)點數(shù)為33 377個。

圖1 計算模型

在建模的過程中，沿洞軸線方向左右兩邊各取80 m，對模型的左右側(cè)施加河流方向的自由度約束，對模型的前后施加了沿洞軸線方向的自由度約束，對模型的底部施加了全部約束。將樁上的結(jié)點與3D實體上的結(jié)點運用耦合將它們的自由度聯(lián)系起來。使樁真正起到支撐洞的作用。

2.2 計算參數(shù)

計算中采用的參數(shù)，除設(shè)計部門提供的巖體和水位等基本參數(shù)外，對于混凝土參數(shù)選用了規(guī)范建議值，具體見表1。

表1 計算參數(shù)統(tǒng)計表

運行期間豎井特征水位:正常蓄水位2 960.00 m，校核洪水位2 964.6 m。

3 計算荷載與荷載組合

豎井的主要荷載可分為靜荷載和動荷載。其中靜荷載主要包括:豎井體自重、靜水壓力和水重、揚壓力、淤沙壓力、風壓力、浪壓力、設(shè)備自重等;動荷載包括:地震力、地震動水壓力和地震動土壓力等。本文以豎井結(jié)構(gòu)滿庫狀態(tài)為研究對象，豎井的動力計算所考慮的地震作用包括:(1)建筑物自重和豎井頂門機、啟閉機、閘門所產(chǎn)生的地震慣性力;(2)水平向地震作用的動水壓力。在計算過程中，在地基四周的邊界面上施加水平約束，在底部邊界面上施加固定約束。

3.1 地震動輸入?yún)?shù)

新疆下坂地導(dǎo)流泄洪底洞進口及豎井為2級建筑物，根據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所對場地進行的工程場地地震安全性評價意見，下坂地水利樞紐工程場址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，只考慮兩個水平向地震作用，即水流向和垂直水流向地震作用，不計豎向地震作用。按照地震部門地震危險性分析結(jié)果的建議，一般場地條件下的概率地震烈度和基巖條件下地震動峰值加速度250.7 gal;場地特征周期Tg取0.30 s為宜，場地地表峰值加速度0.309 g。本文采用反應(yīng)譜法動力分析，地震荷載根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(DL/T5057—1996)、《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》(DL5077—1997)、《水工建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(DL5073—2000)規(guī)定取用。沿用此類問題的一般做法，以無質(zhì)量地基底部均勻輸入的近似方式考慮結(jié)構(gòu)與地基間的動力相互作用和地震動的輸入。根據(jù)規(guī)范，在動力分析中，計算進水口結(jié)構(gòu)和庫水的動力相互作用產(chǎn)生的動水壓力時，可以忽略庫水的可壓縮性而以附加質(zhì)量的形式計入。

3.2 荷載計算

1)自重。自重只考慮豎井體混凝土的重量，采用數(shù)值積分的方法計算，不考慮分期施工的影響。

2)靜水壓力。豎井內(nèi)按相應(yīng)工況水位施加靜水壓力。

3)地震荷載。采用擬靜力法進行計算。計算水工結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)時，沿建筑物高度作用的質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值按下式計算:

式中:αh為與設(shè)計烈度相對應(yīng)的水平向設(shè)計地震加速度的代表值;g為重力加速度，g=9.81 m/s2;ξ為地震作用效應(yīng)折減系數(shù)，一般取為x=0.25;GEi為作用在質(zhì)點i的重力作用標準值;αi為質(zhì)點的動態(tài)分布系數(shù)。

3.3 荷載組合

本文模擬了泄洪洞施工開挖竣工至及其蓄水和在地震共同作用下運行之全過程，得出了不同工況下泄洪洞的應(yīng)力變形及其變形發(fā)展規(guī)律。

計算工況:

(1)工況一:正常高水位+地震

(2)工況二:死水位+地震

(3)工況三:常遇水位+地震

4 計算結(jié)果及分析

1)減樁前計算模型在正常高水位和地震載荷共同作用下導(dǎo)流泄洪洞在沿洞軸線方向上各截面(z=－11，－19，－30，－32，－38)上的大、小主應(yīng)力、沿洞軸線方向正應(yīng)力、水平位移和沿洞軸線方向的位移等值線分布。小主應(yīng)力最大值發(fā)生在z=－11截面，最大值為1.72 MPa(拉);大主應(yīng)力的最大值在z=－38截面產(chǎn)生，最大值為1.87 MPa(壓);軸線方向正應(yīng)力最大值也發(fā)生在z=－11截面，最大值為0.43 MPa(拉);水平方向的最大位移、沿洞軸線方向的位移同樣都發(fā)生在 z=－11截面，最大值分別為4.12 mm和0.61 mm。其中小主應(yīng)力、沿洞軸線方向正應(yīng)力、水平位移和沿洞軸線方向的位移都是沿洞軸線方向呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，但是大主應(yīng)力卻是沿洞軸線呈遞增的規(guī)律。

2)減樁后計算模型在正常高水位和地震載荷共同作用下、死水位和地震載荷共同作用下及常遇水位和地震載荷共同作用下導(dǎo)流泄洪洞在沿洞軸線方向上各截面(z=－11，－19，－30，－32，－38)上的大、小主應(yīng)力、沿洞軸線方向正應(yīng)力、水平位移和沿洞軸線方向的位移等值線分布。小主應(yīng)力最大值均發(fā)生在 z=－11截面，最大值分別為1.80 MPa(拉)，1.73 MPa(拉)，1.56 MPa(拉);大主應(yīng)力最大值均發(fā)生在 z=－38截面，最大值分別為 6.28 MPa(壓)，5.87 MPa(壓)，5.20 MPa(壓);軸線方向正應(yīng)力最大值也均發(fā)生在 z=－11 截面，最大值分別為 0.24 MPa(拉)，0.26 MPa(拉)，0.24 MPa(拉);水平方向的最大位移同樣都發(fā)生在z=－11截面，最大值分別為 4.18 mm，4.14 mm，4.08 mm;沿洞軸線方向的位移也同樣都發(fā)生在z=－11截面，最大值分別為0.78 mm、0.71 mm、0.56 mm。其中小主應(yīng)力、沿洞軸線方向正應(yīng)力、水平位移和沿洞軸線方向的位移在各種工況下都是沿洞軸線方向呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，但是大主應(yīng)力卻是沿洞軸線呈遞增的規(guī)律。

3)減樁前計算模型在正常高水位和地震載荷共同作用下豎井段各截面(Y=14，34，64)的大、小主應(yīng)力、豎向正應(yīng)力、水平位移和豎向位移等值線分布。小主應(yīng)力最大值發(fā)生在Y=14截面，最大值為－0.08 MPa(壓);大主應(yīng)力的最大值在Y=14截面產(chǎn)生，最大值為－1.11 MPa(壓);豎向正應(yīng)力最大值也發(fā)生在Y=14截面，最大值為－0.60 MPa(壓);水平方向的最大位移、沿洞軸線方向的位移同樣都發(fā)生在Y=64截面，最大值分別為3.92 mm和3.18 mm。其中大、小主應(yīng)力、豎向正應(yīng)力都是沿豎向呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，但是水平和豎向位移卻是沿豎向呈遞增的規(guī)律。

4)減樁后計算模型在正常高水位和地震載荷共同作用下、死水位和地震載荷共同作用下及常遇水位和地震載荷共同作用下豎井段各截面(Y=14，34，64)的大、小主應(yīng)力、豎向正應(yīng)力、水平位移和豎向位移等值線分布。小主應(yīng)力最大值均發(fā)生在Y=14截面，最大值分別為－0.09 MPa(壓)，－0.08 MPa(壓)，－0.07 MPa(壓);大主應(yīng)力最大值均發(fā)生在Y=14截面，最大值分別為－1.10 MPa(壓)，－1.08 MPa(壓)，－1.09 MPa(壓);豎向正應(yīng)力最大值也均發(fā)生在 Y=14截面，最大值分別為－0.64 MPa(壓)，－0.64 MPa(壓)，－0.64 MPa(壓);水平方向的最大位移 Y=64截面，最大值分別為 3.94 mm，3.94 mm，3.94 mm;豎向位移也同樣都發(fā)生在 Y=64 截面，最大值分別為 3.25 mm、3.23 mm、3.23 mm。其中大、小主應(yīng)力、豎向正應(yīng)力都是沿豎向呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，但是水平和豎向位移卻是沿豎向呈遞增的規(guī)律。

5 設(shè)計處理方案

根據(jù)補充地質(zhì)以及抗震分析，對砂卵石覆蓋層部位采用直徑1.2 m鋼筋混凝土灌注樁+固結(jié)灌漿作為明涵基礎(chǔ)。

鋼筋砼灌注樁樁深在砂卵石地層按17 m控制，即樁底深入冰磧層2 m終孔;若樁深小于17 m遇見基巖，則樁端深入巖石2 m終孔。對灌注樁下游的涵洞基礎(chǔ)采用砂礫石水泥灌漿的方法進行加固處理，加固深度按照17 m控制，遇基巖后入巖1 m終孔。

6 結(jié)語

根據(jù)實際情況，導(dǎo)流泄洪洞洞口部分地基薄弱，需加樁加固。而在對導(dǎo)流泄洪底洞進口及豎井段抗震安全設(shè)計和計算過程中，根據(jù)實際地質(zhì)狀況和節(jié)省經(jīng)費，要求減樁。分別分析計算了減樁前和減樁后的兩種工況。計算結(jié)果表明:減樁后除了沿泄洪洞軸線方向正應(yīng)力變化不大外，其余大、小主應(yīng)力、水平位移和沿泄洪洞軸線方向的位移均有所增大。同時還給出減樁前后兩種工況時樁的內(nèi)力，結(jié)果表明:軸向壓力、沿Y軸和Z軸的彎矩也均比未減樁前有所增大。豎井段各截面大、小主應(yīng)力比減樁前有所減少，但是豎向正應(yīng)力、水平位移、豎向位移有所增大。

導(dǎo)流泄洪底洞進口及豎井段各截面所有大、小主應(yīng)力均滿足設(shè)計要求，盡管樁的數(shù)量減少，但尺寸增大，其應(yīng)力最大值亦在規(guī)定范圍內(nèi)。

［1］水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.(DL/T5057—1996)

［2］水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范.(DL5077—1997)

［3］水工建筑抗震設(shè)計規(guī)范.(DL5073—2000)

［4］新疆下坂地水利樞紐工程導(dǎo)流泄洪底洞進口及豎井段抗震穩(wěn)定性計算分析專題報告.2008.3.