石膏山水庫(kù)導(dǎo)流洞封堵方案設(shè)計(jì)

朱國(guó)濤

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 概況

1.1 工程情況

石膏山水庫(kù)地處?kù)`石縣南關(guān)鎮(zhèn)峪口村上游1.5km，位于汾河中游一級(jí)支流仁義河上游石膏山峽谷出口處，控制流域面積110km2。總庫(kù)容480.0萬(wàn)m3，正常蓄水位1141.00m，設(shè)計(jì)洪水位1144.00m，校核洪水位 1145.24m。石膏山水庫(kù)樞紐工程主要包括混凝土重力拱壩、供水發(fā)電洞和引水式電站。

1.2 導(dǎo)流隧洞

導(dǎo)流洞位于左壩肩，為一凸出小山梁。梁頂高程1220m，坡度約30°，走向S62.6°W。地層巖性為太古界太岳山群石膏山組第二巖組混合花崗巖、淺粒巖夾片麻巖，主要為全強(qiáng)風(fēng)化帶及節(jié)理裂隙密集帶，巖體較破碎，地下水位位于洞底以下，圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)。建議圍巖堅(jiān)固系數(shù)f=1～1.5，單位彈性抗力系數(shù)KL=（3～5）×105kN/m3。

2 封堵體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

第一，堵頭屬永久性建筑物，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與永久性建筑物相同，為Ⅳ級(jí)。第二，堵頭應(yīng)安全可靠，具有良好的防滲性。第三，堵頭設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能滿足施工總進(jìn)度計(jì)劃要求。第四，堵頭設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，簡(jiǎn)化施工程序，方便施工。

2.2 封堵體堵頭體型選擇

封堵體的體型和長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)封堵體所承受內(nèi)水壓力的大小、地質(zhì)條件、施工方法、封堵材料、運(yùn)行要求，并考慮施工工期等綜合因素分析研究確定，應(yīng)在安全可靠的前提下，盡量簡(jiǎn)單實(shí)用，盡可能具有較大的超載能力。

堵頭的一般體型有楔形、短釘形、截錐形、圓柱形、拱形及球殼形等。

短釘形雖然施工條件較好，開(kāi)挖過(guò)程容易控制，但釘頭部分會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，堵頭及巖面受力不均勻，因此很少采用。截錐形堵頭能將壓力均勻傳至洞壁巖石，受力情況較好，但施工較復(fù)雜。拱形堵頭混凝土用量少，但對(duì)巖石承壓及防滲要求較高，可用于巖體堅(jiān)固防滲性較好的地層。球殼形堵頭結(jié)構(gòu)單薄，只能做臨時(shí)堵頭。圓柱形堵頭依靠其自身的摩擦及粘結(jié)力達(dá)到穩(wěn)定，施工方便。由于隧洞封堵施工工期較緊，因此，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的體型尤為重要，故該工程封堵體體型選擇為圓柱形。

2.3 封堵體長(zhǎng)度的確定

堵頭體長(zhǎng)度計(jì)算主要有以下幾種公式：

式中：L——封堵體長(zhǎng)度，m；

P——封堵體迎水面承受的總水壓，MN；

[τ]——允許剪應(yīng)力，取0.2~0.3MPa；

A——封堵體剪切面周長(zhǎng)，m。

石膏山導(dǎo)流洞封堵設(shè)計(jì)時(shí)，采用參數(shù)：P=7.76×106N，[τ]=0.2×106Pa，A=13.19m2，經(jīng)計(jì)算，封堵體長(zhǎng)度為4.7m。

式中：K——安全系數(shù)，一般取1.1~1.3；

P——作用水頭總推力，N；

ω——導(dǎo)流隧洞的斷面面積，m2；

γ——混凝土容重，kg/m3；

f——混凝土與巖石的摩阻系數(shù)，一般取0.6~0.65；

g——重力加速度；

λ——隧洞周長(zhǎng)，m；

c——混凝土與巖石的粘結(jié)力，一般?。?~20）×104Pa。

石膏山導(dǎo)流洞封堵設(shè)計(jì)時(shí)，采用參數(shù)：K=1.3，P=7.76×106N，ω=13.19m2，γ =24kg/m3，g=10，f=0.6，λ=13.19，c=10×104Pa，經(jīng)計(jì)算，封堵體長(zhǎng)度為 3.01m。

三是經(jīng)驗(yàn)公式：L=ηHD，式中：L——堵頭長(zhǎng)度，m；

H——作用水頭，m；

D——混凝土堵頭直徑，m；

η——系數(shù)，一般取0.015~0.02，H<100m時(shí)取大值；H>100m時(shí)取小值。

石膏山水庫(kù)導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)堵頭時(shí)，采用的參數(shù)為：η=0.02，H=56.04m，D=4.2m，經(jīng)計(jì)算，封堵體長(zhǎng)度為4.7m。

綜合以上三種計(jì)算結(jié)果，最終確定石膏山水庫(kù)導(dǎo)流洞封堵體長(zhǎng)度為5m。

在實(shí)際工程中，當(dāng)導(dǎo)流隧洞的斷面面積較大時(shí)，混凝土塞的澆筑必須考慮降溫措施，否則產(chǎn)生的溫度裂縫會(huì)影響其止水質(zhì)量。例如，美國(guó)新布拉茨河口大壩的導(dǎo)流隧洞封堵，在混凝土塞中央部位設(shè)有冷卻和灌漿用的坑道，底部埋有冷卻水管，待混凝土塞平均溫度降至12.8℃時(shí)進(jìn)行接觸灌漿，以保證混凝土塞與圍巖的良好連接。

此外，在堵塞導(dǎo)流底孔時(shí)，深水堵漏問(wèn)題應(yīng)予以重視。不少工程在封堵的關(guān)鍵時(shí)刻漏水不止，柘溪水電站在這方面有較好的經(jīng)驗(yàn)。該工程導(dǎo)流底孔封堵閘門(mén)的右側(cè)底部，由于止水橡皮被撕壞，漏水量最大達(dá)1.0m3/s，此時(shí)上游水深達(dá)55m。他們根據(jù)漏水部位，先吊放大麻繩球以堵塞大洞，隨后放小麻繩球，最后吊放棒形松散麻絲，使漏水量大大減小。為了防止麻繩球被水流沖失，在閘門(mén)前再沉放麻繩編織的2~4cm厚的簾子。麻簾互相搭接，把整個(gè)閘門(mén)槽封包起來(lái)，再在閘門(mén)前用導(dǎo)管拋填黏土以進(jìn)一步止漏。通過(guò)采取一系列措施，基本上達(dá)到了堵漏的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)流洞封堵是水工建筑物工程施工中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，采用常規(guī)計(jì)算方法，有明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，而且施工方便，但堵頭長(zhǎng)度較長(zhǎng)；如果封堵時(shí)增設(shè)錨筋和堵頭一期澆筑，則堵頭長(zhǎng)度可以縮短，但施工較復(fù)雜，應(yīng)引起足夠重視。