“Y”字形施工支洞封堵堵头长度计算简化模型--中国期刊网

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“Y”字形施工支洞封堵堵头长度计算简化模型

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：周琪

[导读] 摘要：水电站施工支洞作为主引水隧洞施工的重要施工通道，对缩短施工工期，降低施工成本具有重要意义。

        中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司云南昆明 650051
        摘要：水电站施工支洞作为主引水隧洞施工的重要施工通道，对缩短施工工期，降低施工成本具有重要意义。主洞完成施工后，需要对临时施工支洞进行封堵以确保主洞过流安全。本文对比了使用极限平衡方法进行封堵堵头长度计算的两种方法，一种是简化为楔形模型，楔形体两侧混凝土抗压强度考虑在内计算，一种是未简化模型，仅考虑堵头混凝土与岩体之间的摩擦力作为抵抗水推力进行计算，计算结果表明，楔形体模型计算结果经济合理，大大节省工程成本，而仅考虑堵头混凝土与岩体之间摩擦力的计算结果过于保守。
        关键词：支洞；支洞堵头；楔形体模型
        水电站引水隧洞长度可达数十公里，为缩短工期，节省成本，通常在引水隧洞中间某个或某几个合适设置“Y”字形施工支洞，支洞与主洞T接，如此在每个支洞都可向主洞上游和下游进行开挖，主洞入口和出口可同时相向开挖，多个工作面同时开展，大大缩短隧洞开挖施工工期，施工支洞作为临时施工通道，主洞完工后需对支洞进行封堵以使主洞达到过流条件。本文对某项目支洞封堵堵头，使用两种方法对支洞堵头长度进行计算，得到的结果差异较大，结果表明，使用楔形体简化模型进行计算得到的结果较为经济合理。
        1 支洞布置形式、断面及地质参数
        1.1 支洞布置形式
        某Y字形支洞如图1所示，

                       图1 施工支洞布置图

                 图2 支洞断面图（衬砌后）
        1.2堵头段建筑物级别及防洪水位
        施工支洞与引水隧洞相交，引水隧洞施工支洞堵头为永久性建筑物，建筑物级别、
        防洪设计标准及防洪水位与引水隧洞相同，即为3级建筑物，水工建筑物结构安全级别为Ⅱ级。引水隧洞与上游水库竖井相接，水库正常蓄水位为1409.62m，最高蓄水位为1410.17m，调压井最高涌浪水位1448.00m。堵头中心高程1351.975m，隧洞末端出水管中心高程1041.0m。
        1.3堵头段支洞围岩地质情况
        施工支洞与引水隧洞交叉口附近为板岩，为Ⅲ类围岩。混凝土与围岩接触面抗剪强度参数建议取值为：粘聚力C’=0.6～0.7Mpa，内摩擦角ψ=35º～39º。计算取混凝土与围岩接触面抗剪断粘聚力C’=0.65MPa，抗剪断内摩擦角ψ=37º。
        地震动峰值水平加速度αg=0.17g。
        1.4 堵头位置布置
        将支洞堵头设置在施工支洞分叉口的三角部位，这样对抗滑稳定更有利，如图所示。左分支填充素混凝土（与堵头分缝）作为安全储备。

                                图3 堵头位置布置图
        2 计算工况
                                   表1 计算工况表

        3 计算假定
        3.1堵头挡水时，水压力经堵头混凝土均匀传递到堵头混凝土与围岩的接触面上；
        3.2堵头混凝土与围岩之间接触面是连续的；
        3.3 围岩及堵头内渗透水压力忽略不计。
        4 计算方法一
        4.1考虑一个安全系数的抗剪断强度公式，不考虑堵头混凝土和岩石之间的粘聚力。为了避免计算得出的堵头长度较大，考虑在堵头混凝土和岩石之间设置插筋（钢筋）进行连接，利用插筋（钢筋）的抗剪来分担作用在堵头上的水荷载。
         （式1）
        其中
        P：设计水头的总推力；
        Af：封堵体提供摩擦力的断面面积；
        γ：封堵体混凝土容重；
        ƒ：封堵体混凝土与岩石间的抗剪断摩擦系数，ƒ=2/3 tgψ
        L：为封堵体长度；
        Av：插筋（钢筋）的断面积；
        fv：插筋（钢筋）的抗剪强度，根据第四强度理论：

        fp - 插筋（钢筋）的抗拉强度。
        4.2 静水压力计算

        其中：
        K-静压安全系数，1.40；
        He-堵头中心点水头；
        γw-水的容重；
        A-封堵体挡水断面面积。
        4.3地震作用下的动水压力计算
        Pw(h)=ahξφ（h）ρwH0
        Pd=Pw(he)A
        式中
        H0-总水头
        Pw-水的密度
        Pd-动水压力
        ah-水平设计地震加速度代表值，取0.17g；
        g-重力加速度。
        ξ-折减系数，取0.25。
        4.4 计算数据及成果
        根据试算，并结合类似工程经验，堵头长度一般为施工支洞直径的1.5~3.0倍，这里施工支洞堵头长度取10m，且为了避免堵头计算得到的长度太大，同时在围岩与堵头混凝土之间设置钢筋抗剪，计算成果见表2。
                                                            表2 计算方法一计算结果表

        注：不考虑渗透力，考虑浮托力堵头混凝土容重取浮容重。
        从计算结果可以得知，正常蓄水位和地震冻水压力组合为控制工况，设计10m支洞堵头的情况下还需要布设62根插筋。
        4. 计算方法二
        4.1计算模型
        堵头为楔形体，考虑侧向受力作用，采用极限破坏原理计算方法进行校核计算。堵头受力分析见图4。其中动水压力计算同方法一。

            图4 楔形体计算模型
        P：设计水头的总推力；
        K：静压安全系数，1.40；
        B1：封堵体挡水面宽度；
        B2：封堵体背水面宽度；
        H：封堵体高度；
        L：封堵体长度；
        He-堵头中心点水头；
        γw-水的容重；
        ƒ：封堵体混凝土与岩石间的抗剪断摩擦系数；
        N：封堵体两侧法向应力；
        fc：混凝土抗压强度；
        K：混凝土抗压强度的安全系数，K=4；
        F：封堵体两侧摩擦力；
        V：封堵体体积；
        Pc：封堵体底部及两侧粘聚力；
        C：混凝土与围岩接触面抗剪断粘聚强度。
        γ：封堵体混凝土容重；
        ΣF：为封堵体总抗滑力；
        4.2计算结果
        因工况一不可能是控制工况，不再重复计算。工况二和工况三计算结果如表3、表4所示，可以看出采用楔形体模型计算，3m堵头长度即能满足要求。
        5 结语
        a.计算方法一过于保守，10m支洞堵头长度本身在抵抗水压力时贡献小，仅占8.7%。计算方法二充分利用楔形体中混凝土抗压强度，3m堵头即能满足结构稳定要求，工程量节省近70%。
        b.Y字形施工支洞使用楔形体模型计算，结果经济、安全可靠，以该模型进行设计施工的支洞已投入运行数年，运行情况良好，。
        参考文献
        [1]《水电工程水工建筑物抗震设计规范》.
                                                                       表3 计算方法二工况2计算过程及结果