二滩水电站泄洪洞进口闸室结构设计
王平，周跃年
成都勘测设计研究院，四川 成都 610072
1 前 言
二滩水电站的泄洪洞布置于二滩拱坝右岸，为二滩工程三套泄洪设施之一。两条泄洪洞平行，其中心间距为40ｍ，1、2号泄洪洞全长分别为924.24ｍ和1 270.37ｍ。两条泄洪洞承担的设计洪水泄流量为7400ｍ3／ｓ，校核洪水泄流量为7600ｍ3／ｓ，约占枢纽校核洪水流量的1/3，与常年洪水流量相当。
泄洪洞进口主要由一短的引水渠、1号和2号泄洪洞闸室、事故检修门、启闭机排架以及弧形工作闸门等组成。由于二滩泄洪洞具有泄流量大、流速高(洞身最大流速达42～45ｍ／ｓ)的特点，且进口单个闸室结构将承担弧形闸门传来的2×4000ｔ的巨大推力，因而使进口闸室结构设计变得较为复杂。
2 地形、地质条件
二滩泄洪洞洞口位于二滩沟下游侧谷坡处，自然地形坡度为35°～45°，进口区地形受雅砻江和二滩沟的切割，形成了鼻梁状凸出的地形，两面临空，浅表层岩体风化强烈，岩体破碎，松弛明显。基岩以细粒杏仁状玄武岩为主，局部有细粒正长岩脉、凝灰质玄武岩穿插。进水口开挖后，出露的岩体大部分为弱风化中、下段(Ⅱ、Ⅲ类)岩体，大多呈块状镶嵌结构，在洞脸外侧坡的上部尚有部分弱风化上段(Ⅳ类)岩体，呈碎裂镶嵌结构，卸荷松弛较为明显，裂隙中普遍有次生夹泥充填。
进口洞脸坡体中软弱结构面以f20断层和g7破碎带规模相对较大。f20断层由1号洞左侧顶部1205ｍ高程向下斜穿洞脸直坡段，并延伸至2号洞底，倾向坡内，产状为ne35°～45°se∠60°～70°,一般宽为0.1～0.4ｍ，破碎带由致密的角砾和岩屑组成，含少量断层泥。g7软弱破碎带主要分布在15号公路边坡及1号洞脸坡的中部，延至1205ｍ高程消失。宽度为0.1～0.4ｍ，产状为NE60°nw∠70°～75°，由岩屑及次生泥组成。
闸室底板部位无较大的软弱带存在，岩体以Ⅱ、Ⅲ类为主，强度均一。
3 闸室结构布置
根据水力学及泄洪消能布置要求，二滩泄洪洞进口采用浅水式短式进水口型式，分1号和2号闸室，两闸室纵轴线相距40ｍ，闸室之间用伸缩缝将其分成两个独立的闸室单元。闸室基底高程为1156.50～1159.00ｍ，闸室顶高程为1205.00ｍ，底板厚4.0～6.5ｍ，闸室总长52.0ｍ。闸室为大孔口出流，设有检修闸门(b×h＝13ｍ×17ｍ)和弧形工作闸门(b×h＝13ｍ×15ｍ)，检修闸门前缘平面宽度由21.0ｍ收缩到13ｍ，检修闸门前的胸墙厚2.0ｍ，弧形闸门前的胸墙厚4.0ｍ，中墩及边墩底部厚4.0ｍ，顶部厚2.0～4.0ｍ。闸室是在岩体开挖后回填混凝土。由于岩体开挖的稳定要求，闸室边墩在1190ｍ以下开挖坡比为1∶0.25，其上为1∶0.6；中墩在1180ｍ以下开挖坡比为1∶0.25，并在1180ｍ处形成宽8.5ｍ的岩台。弧形闸门支承臂长21.5ｍ，传递2×4000ｔ的弧门推力给支撑横梁。横梁高7.26ｍ，宽5.9ｍ，横梁背靠岩体，顶部与厚2.0ｍ、宽13.5ｍ的混凝土面板相连，共同把弧门推力传至岩体。
闸室的底板、闸墩、胸墙以及洞脸墙等构成了一个空间的整体结构。具体布置见图1、2。
4 闸室结构三维有限元分析
4.1 基本岩体力学参数的选择
岩体在开挖过程中因爆破松动，因此分析中将闸室结构建基面岩体弹性模量降低约1/2，具体力学参数见表1。
4.2 三维有限元模型的建立
由于1号、2号闸室结构尺寸基本相似，考虑到f20断层和g7破碎带的分布特征，1号闸室的运行条件较2号闸室差，故分析中取1号闸室的全部结构及其周围的岩体建立模型，具体范围为：在底板以下取岩体深60ｍ；沿水流(即ｘ轴)方向，在闸室前取岩体长57ｍ，闸室结构段长52.0ｍ，闸室后取岩体长45～80ｍ；后坡高取至1240～1265ｍ高程；左闸墩后岩体取109ｍ，右闸墩取至伸缩缝处。
4.3 计算工况、荷载及其组合
4.3.1 计算工况
正常运行工况：闸前水位为设计洪水位1200.0ｍ，弧形闸门关闭。
非常运行工况：闸前水位为校核洪水位1203.5ｍ，弧形闸门关闭。
检修工况：闸前水位为设计洪水位1200.0ｍ，检修闸门关闭。
4.3.2 荷 载
①岩体自重；
②闸室结构自重；
③正常运行工况下静水压力：静水压力传至弧形闸门的推力为2×4000ｔ，此外在弧形闸门前闸墩的底板及迎水面上作用有37ｍ水头，在弧形闸门胸墙上作用有20ｍ水头；
④非常运行工况下静水压力；
⑤检修工况下静水压力：静水压力值同荷载③，检修闸门上的水压力传至检修门槽并作用在闸墩上； ⑥闸底板扬压力：正常工况和检修工况下，齿墙底板及灌浆帷幕前水头为43.5ｍ，在排水孔处降至13.2ｍ，非常运行工况下相应增加3.5ｍ；
⑦闸墩外侧渗透水压力：按0.3～0.6倍水头折减；
⑧土压力：左、右闸墩背坡上填土至1205ｍ高程，土容重为1.9ｔ／ｍ3，侧压系数取0.217；
⑨温度荷载：考虑均匀温降10℃。
4.3.3 荷载组合
4.4 线弹性应力与位移场分析
分析表明，非常运行工况与正常运行工况相比，闸室的应力场分布规律一致，只是在非常运行工况下，闸前水位高出正常运行工况3.0ｍ，由此引起的闸室各部位应力值略有增加。而在检修工况下，由于检修闸门关闭，与正常运行工况相比，弧形闸门闸室段内的拉应力值有所下降，其它部位的应力值分布规律与正常运行工况基本一致，该工况对闸室结构不起控制作用。因此，以下仅以正常运行工况为例，对闸室结构应力与位移场进行分析。
4.4.1 线弹性应力场分析
4.4.1.1 闸室结构内侧面(迎水面侧)应力分析
(1)第一主应力为自重应力，自上而下逐步增加。在靠近弧形闸门支撑铰附近因受闸门向上推力的影响，压应力有所降低。
(2)由弧形闸门推力造成的第三主应力(拉应力)方向朝向支撑铰，在闸墩内侧呈扇形分布。在温降情况下，第三主应力普遍增大，在支撑横梁下部及其与闸墩交接部位的拉应力比较大，最大值达1.64mpa，其它部位的拉应力都在1.3mpa以下。
(3)闸室底板部位由于受基岩的约束，在温降情况下产生较大的拉应力。最大拉应力由0.6mpa增至1.37mpa，增加了0.77mpa。
(4)在泄洪洞洞口支撑横梁上部的面板部位，其上部拉应力为0.20～0.45mpa，底部最大拉应力为0.40～1.09mpa。
从总体上看，闸墩上的拉应力并不大，最大拉应力出现在支铰横梁的下部以及横梁与闸墩的交接处。温度应力的大小与闸室的约束条件有关，闸室底板因受基岩的约束，底板拐角处产生了拉应力集中现象。
4.4.1.2 闸室结构外侧面应力分析
在不考虑温降情况下，闸墩外侧主要为压应力，在支撑横梁和闸墩交接处，由于受到弧形闸门上抬推力的影响，出现了一片较小的拉应力区，其最大值为0.18mpa。这说明闸墩外侧应力状况较好，由弧形闸门传来的上抬推力，大部分已由闸墩内侧的混凝土承担。
在考虑温降情况下，应力值普遍有所增加，但量值不大。在支撑横梁部位，拉应力值由0.03mpa增加到0.10mpa；在闸室底板，最大拉应力达到1.12mpa。
4.4.2 线弹性位移场分析
(1)受弧形闸门推力的影响，闸室结构最主要的位移矢量是沿水流方向，最大位移为0.298cm；其次为闸室结构的下沉位移，一般在0.15～0.19cm，而垂直于水流方向的侧向位移比较小。
(2)在弧形闸门支撑横梁处，受到弧形闸门上抬推力的影响，该部位位移较大，横梁底部最大位移达到0.337cm，而洞口面板的位移为0.17～0.30cm。
(3)在弧形闸门胸墙下部，沿ｘ轴水流方向的位移为0.26cm，而弧形闸门支撑横梁下部的最大位移为0.337cm，两者相差0.077cm，说明弧形闸门的止水效果不会受影响。
4.5 非线性应力与位移场分析
4.5.1 非线性应力场分析
分析表明，闸室结构出现塑性区的范围很小，仅出现在以下四个部位：即进口检修闸门胸墙的底部、洞口支撑横梁的下部及洞顶面板、支撑横梁与闸墩的交接处以及闸室底板拐角处。
从总体上看，闸室结构塑性区内的应力转移后，拉应力有所减小，但量值不大。其中，支撑横梁与闸墩交接处拉应力由0.88mpa降至0.86mpa，底板拐角处最大拉应力由1.64mpa降至1.13mpa。其它部位的应力值及应力分布与线弹性分析结果基本一致。
4.5.2 非线性位移场分析
非线性位移与线弹性位移的区别仅在塑性区部位，在应力转移和调整过程中，位移场也相应调整和变化。在支撑横梁处，沿水流方向最大线位移由0.337cm增至非线性位移0.346cm，其它塑性区部位非线性位移也有所增加。闸室结构的塑性区范围很小，大部分闸室结构应力均处于线弹性应力状态，因此非线性位移场的分布和大小与线弹性位移场基本一致。
4.6 闸室洞口后坡岩体塑性区与应力场分析
4.6.1 岩体塑性区分布
受弧形闸门推力的影响，闸室洞口后坡岩体大部分处于线弹性应力状态，仅在洞口边坡拐角处以及f20断层带出现了塑性区，但范围较小，对边坡的稳定危害不大。
4.6.2 岩体应力场
第一主应力为自重应力。在弧门推力的影响下，第三主应力朝向边坡的洞口面板，在面板范围内的岩体压应力为0.07～0.71mpa，而闸室未建前该部位岩体应力为0.12～0.58mpa，两者相比，应力平均增长约0.165mpa。这相当于弧形闸门总推力的66%已由洞口的支撑横梁及面板传至岩体承担，而剩下的34%荷载由闸墩承担，从而大大改善了闸墩的应力状态。
5 主要工程措施
针对闸室结构及其周边围岩的应力与位移分布特点，设计中采取了以下主要工程措施：
(1)由于闸室洞口坡体围岩将承担由弧形闸门推力传递的大部分荷载，因此保证洞口后坡岩体的稳定和提高其岩石力学指标极其重要，这将极大地改善闸室结构的受力条件。考虑到该部位有f20断层及g7破碎带通过以及边坡在施工期和运行期的稳定，设计中对该部位岩体采取了加固处理措施，具体为：
对洞脸坡1180～1250ｍ高程范围的岩体，进行挂网喷混凝土及锚杆、锚索支护。锚杆参数为32，l＝8.0ｍ与25，l＝5ｍ交错布置，间、排距2.0ｍ；锚索长20ｍ，吨位100ｔ，共27根。并设48排水孔，间、排距3.0ｍ；进行固结灌浆，孔长10ｍ，间、排距3.0ｍ，灌浆压力0.5mpa。
对洞口1205～1235ｍ高程范围的坡体，进行挂网喷锚支护及锚索支护。锚杆长5ｍ，间距2ｍ，部分地段设置长12ｍ、吨位50ｔ的小锚索，坡面设置排水孔。另在1205ｍ高程设置岩石锚索11根，长度20ｍ，吨位175ｔ。
(2)对闸墩外侧1190ｍ高程以下与岩石边坡相接部位，采用带端钩的锚杆将衬砌与岩坡相连。
(3)在闸首桩号0＋0004.5ｍ处的闸室底板下设帷幕灌浆和排水廊道，用以减小作用在闸室底板和闸墩上的渗透水压力。
(4)对上述结构非线性分析中出现塑性区的部位，设计中采取了较其它部位更强的局部加强措施。
(5)加强洞口坡体监测。在边坡1207ｍ和1235ｍ高程处分别设置多点位移计，以监测坡体的稳定。
二滩泄洪洞进水口闸室于1998年全部建成。在1998年和1999年汛期，闸室已顺利下闸蓄水并开闸泄洪。初期运行情况表明，闸室结构工作状态良好。
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