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水 利 学 报

2025 年 2 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 2 期

文章编号：0559-9350（2025）02-0266-11

基于接触模型的导流洞堵头温控仿真及稳定安全研究

程 井 ，肖文俊 ，周 伟 ，赵兰浩 1
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（1. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；2. 武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072）
摘要：针对导流洞混凝土堵头与围岩之间的潜在滑动问题，以猴子岩水电站为例，引入有限元混合法，建立了考
虑接触非线性的温度应力场全过程仿真分析模型，并在相应计算成果基础上利用有限元极限平衡法对堵头抗滑稳
定安全度进行评估。为验证有限元混合法的合理性，分别基于刚体极限平衡法及弹塑性有限元法对导流洞堵头稳
定安全度进行对比复核。研究结果表明：3 种稳定安全复核方式下堵头抗滑稳定安全系数均满足规范要求，但基
于有限元混合法的温度应力场仿真分析模型，能更真实地反映施工及运行期堵头与围岩之间的连续-非连续过程，
进而更加精确地评估不同温控及蓄水方案下接触面的受力状态变化及堵头稳定安全性能。为解决全过程温控接触
非线性问题的求解效率问题，从接触迭代方程的特征出发，提出了矩阵方程的简化计算方法。本文研究成果可为
水库堵头及类似温控接触问题提供参考。
关键词：导流洞堵头；抗滑稳定；有限元混合法；接触非线性；温控防裂
中图分类号：TV544 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20240283

1 研究背景

大型水电站导流洞封堵堵头一般为永久建筑物，其抗滑稳定性及抗渗安全性是关系到整个水电工
程顺利蓄水发电及长期安全稳定运行的关键技术问题之一。实际工程中往往存在堵头施工时间短、工
作性态非常复杂等问题。首先导流洞堵头是大体积混凝土结构，早期受水化热影响温升较高，蓄水后
则温度大幅下降，不同的温控措施将显著影响堵头结构运行期的工作性态；其次堵头与导流洞衬砌、
衬砌与围岩之间为潜在薄弱面，其接触状态非常复杂，在运行期承受较大的工作水头时，可能存在塑
性变形。目前堵头结构的抗滑稳定设计方法及理论主要包括：基于剪摩公式的安全系数法 、圆柱面
［1］
抗冲剪理论 、经验公式法、基于接触面应力有限元计算结果的安全系数法 ［3-4］ 、基于弹塑性力学的有
［2］
限元强度折减系数法等 ［6-7］ 。温控方面，堵头混凝土则仍主要参考重力坝等常规大体积混凝土结构，
采取低热水泥、分层浇筑、通水冷却、后期接缝灌浆等综合温控措施 ［8-9］ 。
关于混凝土温控措施的研究成果已较多，如朱岳明等 ［10］ 为了解决冷却水管中水的流动性带来的数
学求解问题，在有限元计算中采用了水管单元和子结构技术；刘毅等 ［11］ 通过建立混凝土开裂全过程仿
真试验技术实现了大体积混凝土温度历程的优化设计，并通过实时采集各环节的混凝土温度信息构建
了温度实时评价和预测模型，实现了对施工过程中大体积混凝土温度指标的实时监控和预警；杜长劼
等 ［12］ 研究了入仓温度与通水冷却对堵头混凝土温度应力场的影响。实际工程中堵头混凝土与围岩间存
在摩擦接触问题，有部分学者对该问题进行了探讨，如赵兰浩等 ［13］ 针对摩擦接触初始间隙问题提出了
有限元混合法；随后，李同春等 ［14］ 在有限元混合解法的基础上，提出了分区有限元与块体界面元混合

收稿日期：2024-05-13；网络首发日期：2025-02-20
网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.tv.20250219.1527.001
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基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（2022YFC3005501）； 水 利 部 重 大 科 技 项 目（SKS-2022153）； 贵 州 省 水 利 厅 科 技 专 项
（KT202217，KT202218）
作者简介：程井（1982-），博士，副教授，主要从事水工结构计算力学和大体积混凝土智能温控研究。E-mail：cj042@126.com
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