特高坝施工主汛期隧洞堵头长度优化设计方法与流程

本发明涉及水利水电工程施工，特别涉及一种特高坝施工主汛期隧洞堵头长度优化设计方法。

背景技术：

1、特高坝多修建于西南地区高山峡谷区域，其施工导流一般采用围堰一次断流，基坑全年施工的隧洞导流方式。特高坝水电工程施工难度大，建设周期长，施工过程受到众多不确定性因素影响，其水工、交通、施工支洞、临时施工通道等隧洞的堵头稳定计算分析一直是大型水电站地下工程设计和研究的关键技术问题。随着西南地区特高坝水电工程建设的不断推进，越来越多的特高坝面临施工主汛期度汛条件下施工隧道、水工隧洞等堵头结构的安全稳定问题，如某300m级特高心墙堆石坝生态供水洞衬砌汛前未完工，需要布置施工支洞堵头以保证该年主汛期供水洞洞内不过水和施工安全。

2、目前，工程技术人员进行水工隧洞堵头结构长度设计的常规方法主要是先初拟长度，然后采用整体抗滑稳定法、抗剪断计算法、经验设计法等进行稳定复核，最终结合经验确定堵头长度，这些方法原理简单，易于被工程设计人员所接受。

3、然而，上述堵头长度的设计方法无法反映岩石力学参数、混凝土参数以及滑动面材料间接触系数等主要随机因素对结构稳定性的影响，计算成果偏于保守，不仅增加了工程投资，而且延长了施工和拆除的工期。

4、近年来，随着水工可靠度理论的发展，以概率论为基础的极限状态设计法在工程设计中的应用不断深入，汪魁等考虑岩土工程不确定性因素的影响，引入可靠度理论对水工隧洞永久堵头稳定性进行计算分析。然而，对于施工主汛期挡水的隧洞堵头结构而言，该模型一方面主要针对圆形水工隧洞，对于应用较多的城门洞型隧洞难以适用；另一方面该模型忽略了汛期上游水压力载荷随机性的影响，使得隧洞堵头的可靠度分析不够全面。

5、此外，目前基于风险设计的隧洞堵头长度优化设计的方法还未见报道，鉴于此，本发明考虑主要随机因素影响，研究基于风险分析理论的特高坝施工主汛期隧洞堵头长度优化设计方法，为确定合适的隧洞堵头工程规模，进而降低工程投资、保证施工度汛安全、加快工程进度等提供科学的理论依据和技术支撑。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提出一种特高坝施工主汛期隧洞堵头长度优化设计方法，解决传统技术中隧洞堵头长度的设计方案存在的增加工程投资、施工期延长以及对隧洞堵头的可靠度分析不够全面的问题。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

3、特高坝施工主汛期隧洞堵头长度优化设计方法，包括以下步骤：

4、s1、通过工程基本参数分析，确定隧洞控制性滑动界面，并初拟隧洞堵头长度；

5、s2、建立特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险模型；

6、s3、确定影响水荷载的主要随机因素的分布参数；

7、s4、确定影响抗滑力的主要随机因素的分布参数；

8、s5、基于初拟的隧洞堵头长度，结合影响水荷载和抗滑力的主要随机因素的分布参数，进行主汛期大坝防洪最高洪水位产生水荷载和隧洞堵头能产生的总抗滑力的随机模拟；

9、s6、根据随机模拟结果，估算特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险率；

10、s7、根据估算的特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险率，优化隧洞堵头长度，直至满足收敛条件。

11、进一步的，步骤s1中，通过工程基本参数分析，确定隧洞控制性滑动界面，并初拟隧洞堵头长度，包括：

12、根据水工隧洞相关设计规范，确定隧洞堵头设计级别和度汛洪水标准；

13、确定隧洞控制性滑动界面：针对无衬砌的隧洞，将混凝土与围岩之间的界面作为控制性滑动界面；针对有衬砌的隧洞，采用定值法分别计算最不利工况下堵头与混凝土之间的界面作为滑动面、混凝土与围岩之间作为滑动面的抗滑稳定性，根据抗滑稳定性确定出控制性滑动界面；

14、结合隧洞堵头设计级别和度汛洪水标准的设计参数取值和控制性滑动界面，采用分项系数极限状态设计法估算隧洞堵头长度。

15、进一步的，步骤s2中，建立的特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险模型为：

16、r＝p(ph(max(zm(t)))＞f'∑w+c'(λa1+a2))

17、其中，r表示特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险；zm(t)表示大坝施工主汛期坝前水库调洪的水位动态变化过程；ph(max(zm(t)))为堵头上游面受最高洪水位产生水荷载的推力；f'为堵头与围岩之间的抗剪断摩擦系数；∑w为控制滑动面上的全部法向作用力和；c'为堵头与混凝土或混凝土与围岩之间的凝聚力；λ为边墙的粘结有效面积系数；a1为边墙有效的抗剪面接触面积；a2为底面有效的抗剪面接触面积；p(·)表示(·)条件成立的概率。

18、进一步的，步骤s3中，确定的影响水荷载的主要随机因素的分布参数包括：

19、施工洪水洪峰，假设服从p-ⅲ型分布；

20、导流洞泄流能力系数，假设服从三角形分布；

21、水位库容关系系数，假设服从三角形分布。

22、进一步的，步骤s4中，确定的影响抗滑力的主要随机因素的分布参数，包括：

23、边墙的粘结有效面积系数，假设服从三角形分布，其概率密度函数为：

24、

25、其中，kd为下限值，即最小的边墙的粘结有效面积系数；km为中值，根据施工单位技术水平和现场管理进行估计；ku为上限值，即最大的边墙的粘结有效面积系数；

26、堵头材料的抗剪断摩擦系数和凝聚力，假设服从正态分布，其概率密度函数为：

27、

28、其中，μ为抗剪断摩擦系数f'或凝聚力c'的随机变量参数的均值；σ为抗剪断摩擦系数f'或凝聚力c'的随机变量参数的标准差。

29、进一步的，步骤s5中，基于初拟的隧洞堵头长度，结合影响水荷载和抗滑力的主要随机因素的分布参数，进行主汛期大坝防洪最高洪水位产生水荷载和隧洞堵头能产生的总抗滑力的随机模拟，包括：

30、首先，基于monte carlo方法确定满足计算精度要求的模型仿真计算总次数nc；

31、然后，结合影响水荷载和抗滑力的主要随机因素的分布参数，执行nc次主汛期大坝防洪最高洪水位产生水荷载和隧洞堵头能产生的总抗滑力的随机模拟。

32、进一步的，所述主汛期大坝防洪最高洪水位产生水荷载的随机模拟过程包括：

33、①产生施工洪水洪峰随机数，模拟施工洪水过程；

34、②产生水库库容关系系数随机数，模拟拟合水位库容关系曲线；

35、③产生泄流能力系数随机数，模拟拟合导流泄流能力曲线；

36、④通过模拟调洪演算仿真得到主汛期大坝坝前最高洪水位max(zm(t))；

37、⑤通过模拟的主汛期大坝坝前最高洪水位计算水荷载ph(max(zm(t)))。

38、进一步的，所述隧洞堵头能产生的总抗滑力的随机模拟过程包括：

39、①产生边墙的粘结有效面积系数λ的随机数；

40、②产生抗剪断摩擦系数f'、凝聚力c'随机数；

41、③计算隧洞堵头能产生的总抗滑力f'∑w+c'(λa1+a2))。

42、进一步的，步骤s6中，根据随机模拟结果，估算特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险率，包括：

43、根据nc次主汛期大坝防洪最高洪水位产生水荷载和隧洞堵头能产生的总抗滑力的随机模拟的模拟结果，统计分析模拟出来的坝前最高洪水位的水荷载ph(max(zm(t)))超过隧洞堵头能产生的总抗滑力f'∑w+c'(λa1+a2))的次数，将此次数记为nt；

44、则根据估算特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险率r。

45、进一步的，步骤s7中，根据估算的特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险率，优化隧洞堵头长度，直至满足收敛条件，包括：

46、判断估算的特高坝施工主汛期隧洞堵头抗滑稳定失效风险率r是否满足：

47、0≤|r-ra|≤ε

48、其中，ra为设计风险率，ra＝1/ta，ta为隧洞堵头设计标准相应的洪水重现期；ε为设定的收敛阈值；

49、若满足，则结束优化设计流程，否则，调整隧洞堵头长度，基于调整后的隧洞堵头长度，结合影响水荷载和抗滑力的主要随机因素的分布参数，再次进行主汛期大坝防洪最高洪水位产生水荷载和隧洞堵头能产生的总抗滑力的随机模拟，然后返回步骤s6。

50、本发明的有益效果是：

51、(1)本发明通过引入风险分析理论方法，构建了特高坝隧洞汛前堵头抗滑稳定失效风险数学模型，考虑了影响水荷载的主要因素随机性和影响抗滑力的主要因素随机性，更为符合工程客观实际，较为适用于特高坝施工主汛期度汛隧洞堵头的优化设计。

52、(2)本发明在特高坝施工主汛期度汛隧洞堵头优化设计中，采用基于概率理论的风险分析方法，科学合理、全面地考虑了各种随机因素随机性的影响，提高风险率估计和分析的科学性和准确性。

53、(3)采用本发明的优化设计方案，在保证一定堵头抗滑稳定可靠度情况下，可以减小隧洞堵头工程规模，进而降低堵头工程投资、缩短工期，具有良好的社会、经济、安全效益。