水电站导流洞围岩及衬砌结构稳定分析论文_杨阳,张枫

长江勘测规划设计研究有限责任公司

摘要：水电站初次下闸蓄水会使上游水库水位陡升，对距岸坡较近的导流洞结构造成不利影响。本文针对传统有限元方法只能定性的评价洞室结构稳定情况，不能定量评价稳定程度的问题，提出分别采用强度折减法和水压超载法计算分析水电站蓄水后导流洞围岩和衬砌结构的稳定性。通过对某水电站初次蓄水后导流洞结构稳定实例分析，表明本文提出的方法合理有效，可模拟围岩和衬砌结构的破坏演化过程，并定量评判围岩和衬砌结构的稳定程度。

关键词：导流洞；结构稳定；强度折减法；水压超载法；安全系数

1 引言

为了提前发挥经济效益、适应工程蓄水发电进度安排，许多采用隧洞导流的水电工程，要求在下闸蓄水后再对导流洞进行封堵。因此，为了保障这类水电站的安全稳定运行，有必要对导流洞进行结构安全复核，准确地评价蓄水后导流洞围岩和衬砌结构在外水作用下的安全稳定性。

传统的洞室围岩和衬砌结构稳定分析方法是建立三维有限元模型，进行数值计算，在此基础上分析围岩和衬砌破坏区、应力、位移以及锚杆应力等参数，对洞室结构进行稳定性评价[1]。传统的方法只能定性的对围岩和衬砌结构进行稳定描述，不能对其稳定性的安全裕度做出定量的评价，因而存在一定的局限性。

本文以传统有限元计算原理为基础，提出分别采用强度折减法和水压超载法计算分析围岩和衬砌的稳定情况，在此基础上获得围岩和衬砌结构的安全系数，对水电站蓄水后导流洞结构稳定程度做出了定量评价。

2 基于强度折减法的围岩稳定分析

自上世纪90年代以来，基于有限元和有限差分的强度折减法在边坡和地基的稳定评价中得到了广泛应用。强度折减法本质上是在外荷载恒定的情况下，通过不断降低材料的强度，使得分析对象逐渐逼近其承载极限，即材料即将发生破坏的状态，从而得到一个折减系数。该系数可理解为材料为避免发生某种特定类型的破坏而具有的相应安全裕度。因此，对材料强度进行折减时，可视材料的破坏类型进行折减。

对于岩质材料，由于其破坏型式分为剪坏和拉坏，因此在强度折减时，应根据岩质材料可能发生的破坏对相应的材料强度进行折减。

目前，很多学者也将强度折减法应用于地下洞室稳定分析中，并取得了一定的成果。本文在水电站导流洞围岩稳定分析中，采用基于有限元的强度折减，即是不断折减岩体的强度参数，获得围岩破坏区、耗散能以及锚杆等参数与折减系数的关系曲线，参数突变点的折减系数即为围岩的安全系数。

3 基于超载法的衬砌结构稳定分析

超载法是将结构所受外荷载乘以一个超载系数fos，同时逐步增大或缩小超载系数，每取一个超载系数就进行一次稳定计算，分析在不同超载系数下结构的稳定性及破坏机理，求得结构达到临界状态时的超载系数，即是其安全系数。

超载法常用于坝体的稳定计算，本文将其引入水电站导流洞衬砌稳定分析中。对于初次蓄水的水电站导流洞衬砌，由于水压力直接作用于其表面，并且衬砌与围岩间存在一定的间隙，采用基于围岩的强度折减将不能真实反映衬砌的破坏机理，而采用水压超载法对衬砌进行稳定分析具有一定的优势。

基于超载法的衬砌结构稳定分析，即是以衬砌破坏区及耗散能为研究参数，研究不同超载系数下各参数的变化规律，参数突变点的超载系数极为衬砌的安全系数。本文计算采用水压超载法，即是将作用于洞室衬砌表面的水头乘以超载系数作为衬砌计算所受的水荷载进行稳定计算。

4 某水电站初次蓄水导流洞稳定分析

4.1 工程概况

某水电站位于金沙江流域，采用围堰一次断流，全年导流方式，导流建筑物级别为III级，1#导流洞进口洞段围岩覆盖较薄，地质条件较差，施工期曾经发生过洞脸段坍方。由于本工程进度安排存在汛前下闸、堵头在汛期施工的可能，因此需要复核汛前下闸工况，即上游水位1413.31m，水头123.41m时的结构安全，为下闸蓄水提供必要的技术支撑。