高家壩防洪水庫工程導(dǎo)流隧洞封堵設(shè)計(jì)

許正舉 王 翔

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

導(dǎo)流隧洞的封堵一般由兩部分組成，首先利用進(jìn)口封堵閘門截?cái)噙M(jìn)入隧洞的河水臨時(shí)封堵，然后在導(dǎo)流隧洞中選擇適當(dāng)?shù)奈恢糜没炷粒ㄍǔ７Q為堵頭）將完成使命的導(dǎo)流隧洞完全封堵，確保水庫內(nèi)蓄水的安全，并不滲漏到下游。筆者根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和掌握的部分資料，對(duì)臨時(shí)封堵閘門設(shè)計(jì)以及堵頭的設(shè)計(jì)原則、合理長度、體形和相應(yīng)措施等方面進(jìn)行分析。

1 工程概況

高家壩防洪水庫工程位于沅水二級(jí)支流猛洞河中上游，攔河壩壩頂高程▽373.5m，最大壩高63.5 m，正常蓄水位▽368.0m，相應(yīng)庫容6 320萬m3。溢流壩位于河床中部，溢流堰堰頂高程▽355.0m，共設(shè)3孔溢流堰。

施工導(dǎo)流采用一次攔斷河床隧洞導(dǎo)流的方式，導(dǎo)流洞布置在大壩左岸。洞身巖體為寶塔組（O2b）下部薄～中厚層灰?guī)r，巖石弱～微風(fēng)化狀，巖層產(chǎn)狀N22°W～N25°ESE（NW）∠5°～15°，傾向右岸，傾角平緩，節(jié)理裂隙或溶隙較發(fā)育。導(dǎo)流洞為城門洞形，寬度6.0m，高度6.5m，頂拱半徑 3.0m，頂拱中心角180°，隧洞進(jìn)口底板高程316.0m，出口底板高程315.0m，隧洞全長347.0m。

截止2009年3月底，樞紐建筑物已基本完工，防洪水庫工程具備下閘蓄水條件。根據(jù)進(jìn)度安排，計(jì)劃于2009年4月1日導(dǎo)流隧洞進(jìn)口臨時(shí)封堵門下閘封堵，4月～5月永久堵頭在進(jìn)口臨時(shí)封堵門和出口土石圍堰保護(hù)下進(jìn)行施工，5月底堵頭施工完畢，防洪水庫工程正式投入運(yùn)行。

2 進(jìn)口臨時(shí)封堵設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)口臨時(shí)封堵閘門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)進(jìn)度安排，進(jìn)口臨時(shí)封堵閘門的擋水設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按照《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，選10月～次年5月5年一遇洪水（Q=710 m3/s）。但考慮到進(jìn)度安排永久堵頭施工期已跨入汛期，依據(jù)規(guī)范規(guī)定，進(jìn)口臨時(shí)封堵閘門的度汛設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)選全年10年一遇洪水（Q=2 013m3/s）。封堵期設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)、時(shí)段流量及有關(guān)水力學(xué)參數(shù)見附表。

附表 封堵期導(dǎo)流水力學(xué)參數(shù)表

溢流壩閘門的調(diào)度方案如下：

（1）當(dāng)入庫流量小于或等于機(jī)組的過機(jī)流量61 m3/s時(shí)，維持庫水位360.0m，泄水建筑物閘門關(guān)閉，入庫流量通過水輪機(jī)下泄。

（2）當(dāng)入庫流量在（61～710）m3/s時(shí)，通過調(diào)節(jié)閘門開啟高度，維持庫水位360.0m。

（3）流量在（710～2 013）m3/s時(shí)，閘門部分開啟至全開，庫水位維持在363m以下。

經(jīng)分析計(jì)算取臨時(shí)封堵閘門設(shè)計(jì)擋水位360.0 m、校核擋水位363.0m。

2.2 臨時(shí)封堵閘門設(shè)計(jì)

2.2.1 臨時(shí)封堵閘門型式選擇

封堵閘門沉放后不再提起和利用,因此閘門的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡單經(jīng)濟(jì),起吊方便、可靠。根據(jù)選定的臨時(shí)封堵閘門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼閘門和鋼筋混凝土疊梁門進(jìn)行比較：①鋼閘門造價(jià)較鋼筋混凝土閘門高出近一倍，不經(jīng)濟(jì)；②鋼閘門重量不足鋼筋混凝土閘門的一半，起吊較方便；③若不考慮采用整體鋼筋混凝土閘門（整體閘門重達(dá)131.6 t），而是借鑒其他項(xiàng)目已成功使用的鋼筋混凝土疊梁閘門，最大單根疊梁的重量為37.1 t，可利用汽車吊分節(jié)吊裝。綜合比較，業(yè)主明確導(dǎo)流隧洞進(jìn)口臨時(shí)封堵閘門采用鋼筋混凝土疊梁門。

2.2.2 臨時(shí)封堵閘門設(shè)計(jì)

（1）封堵閘門所承受的荷載主要來自蓄水后庫水位的上升所形成的水壓力。閘門工作時(shí)段為閘門下閘封堵至永久堵頭達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度所需的時(shí)間。在此時(shí)段內(nèi),水庫蓄水設(shè)計(jì)保證率取80%，按4、5月份80%的月平均流量計(jì)算，約35天可達(dá)到360.0m高程。

（2）臨時(shí)封堵閘門采用鋼筋混凝土疊梁門，根據(jù)導(dǎo)流洞進(jìn)口結(jié)構(gòu)形式、尺寸及結(jié)合吊裝能力初步分析確定臨時(shí)封堵門由四根鋼筋混凝土梁組成。梁長度由導(dǎo)流隧洞的凈寬（考慮門槽的深度）決定，考慮吊裝和保護(hù)門槽因素，門槽兩端各預(yù)留50mm寬，梁長度取6.9m。門槽順?biāo)鞣较驅(qū)挒?.2m，為便于安裝滑塊，同時(shí)考慮不損壞門槽預(yù)埋鋼契塊而預(yù)留空隙，暫定梁高為1.05m?？紤]單根梁沉放時(shí)是否需要配重和起吊設(shè)備吊裝能力，經(jīng)過計(jì)算分析，選擇下面1#、2#疊梁寬度取2m，上面3#、4#疊梁寬度確定為1.55m。見疊梁門封堵示意圖1。

圖1 疊梁門封堵示意圖

（3）根據(jù)初步確定的疊梁截面尺寸進(jìn)行疊梁的配筋計(jì)算，并通過配筋結(jié)果驗(yàn)證疊梁的截面尺寸能否滿足擋水要求，是否需要重新設(shè)計(jì)疊梁截面尺寸。

① 基本情況和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

隧洞進(jìn)水口底板高程：316m；隧洞進(jìn)水口頂板高程：322.5m；門槽寬：1 200mm，門槽厚：500mm；設(shè)計(jì)水位：360m，設(shè)計(jì)水深：44m；校核水位：363m；按臨時(shí)建筑物考慮，為Ⅴ級(jí)建筑物，其結(jié)構(gòu)系數(shù)rd=1.25；裂縫允許的最大開展寬度：[σf]=0.30 mm（短期）（二類環(huán)境）；裂縫允許的最大開展寬度：[σf]=0.25mm（長期）（二類環(huán)境）；容許撓度：L0/400（L0為計(jì)算跨度）；一般經(jīng)濟(jì)配筋率：0.6%～1.5%超筋配筋率：2.63%；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：Ⅲ級(jí)ψ=0.9；設(shè)計(jì)狀況：持久狀況 г0=1.0。

② 根據(jù)受彎疊梁的正截面承載力計(jì)算確定疊梁的受力鋼筋,分布鋼筋按構(gòu)造要求設(shè)置。

③ 根據(jù)受彎疊梁的斜截面承載力計(jì)算確定是否設(shè)置疊梁的箍筋和彎起鋼筋。

④ 根據(jù)受彎疊梁的正截面承載力驗(yàn)算受力鋼筋部分彎起后，正截面承載能力能否滿足抗彎要求。以受力鋼筋彎起點(diǎn)為驗(yàn)算截面，計(jì)算彎起點(diǎn)所需的受力鋼筋截面面積。若不滿足抗彎要求，應(yīng)先減少受力鋼筋彎起數(shù)量，然后設(shè)置斜筋以提高斜截面抗剪能力。也可通過增大疊梁厚度和提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)來滿足要求。并對(duì)疊梁的撓度變形進(jìn)行驗(yàn)算。

⑤ 對(duì)疊梁的吊裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)自重按均布荷載考慮，使最大正彎矩和最大負(fù)彎矩相等，從而確定吊環(huán)位置。每根疊梁上部設(shè)置4個(gè)吊環(huán)，設(shè)計(jì)中按3個(gè)吊環(huán)同時(shí)發(fā)揮作用考慮，每個(gè)吊環(huán)有兩肢受力，從而選定疊梁吊環(huán)間距和吊環(huán)圓鋼的直徑。并對(duì)疊梁單吊點(diǎn)和雙吊點(diǎn)的起吊條件進(jìn)行復(fù)核。

⑥ 為減少閘門下放后的滲水量，確保永久堵頭順利施工。在疊梁閘門底部以及疊梁間設(shè)置方型橡膠止水，在疊梁閘門側(cè)邊和頂部的下游面與門槽接觸部位設(shè)置P型橡膠止水，使閘門整個(gè)止水系統(tǒng)形成封閉體。

3 導(dǎo)流隧洞永久封堵堵頭設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞封堵堵頭為永久擋水建筑物，安全系數(shù)和防滲等級(jí)必須滿足相應(yīng)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)荷載和校核荷載分別按大壩工程的設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位進(jìn)行計(jì)算。為確保整個(gè)樞紐安全，對(duì)位于穿越壩體范圍內(nèi)的導(dǎo)流隧洞是否需要進(jìn)行全段封堵應(yīng)根據(jù)攔河壩的結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)力傳遞要求確定，堵頭應(yīng)布置于大壩帷幕線附近，以確保水庫蓄水不會(huì)通過堵頭上下游巖體繞滲到庫外，影響水庫運(yùn)行期的正常蓄水。

對(duì)封堵堵頭的設(shè)計(jì)而言，其位置相對(duì)比較固定，形狀也很容易做出選擇，因而封堵體設(shè)計(jì)的核心問題就是其長度的確定。

3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

高家壩防洪水庫工程大壩為Ⅲ級(jí)水工建筑物，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，封堵堵頭作為永久建筑相應(yīng)也為Ⅲ級(jí)，堵頭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，相應(yīng)流量3 259m3/s，對(duì)應(yīng)上游水位372.0m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇，相應(yīng)流量5 090m3/s，對(duì)應(yīng)上游水位372.0m。

3.2 堵頭長度計(jì)算方法選定

根據(jù)以往國內(nèi)外工程上常用的確定封堵堵頭長度的計(jì)算方法主要有以下幾種：

（1）按3倍以上洞徑或洞寬確定堵頭長度L=3×D。

（2）按挪威的經(jīng)驗(yàn)公式 L=（3～5）H/100。

（3）按照經(jīng)驗(yàn)公式 L=h×D/50。

（4）參照重力壩的計(jì)算方法，用基礎(chǔ)面的抗滑穩(wěn)定條件確定，雖然概念明確，但是側(cè)面和頂拱不計(jì)或少計(jì)粘聚力，不符和實(shí)際情況。其計(jì)算公式為：

（5）按照混凝土抗沖壓剪切原則確定，設(shè)計(jì)概念明確，計(jì)算簡便，其柱面剪應(yīng)力平均分布的假定與三維有限元計(jì)算的結(jié)果比較接近，有較好的實(shí)用性。其計(jì)算公式為：

（6）極限平衡條件（抗剪斷強(qiáng)度）法，其計(jì)算公式為：

式中l(wèi)——堵頭長度(m)；

K1——摩擦力的安全系數(shù)，可取1.05～1.15；

K2——凝聚力的安全系數(shù)，建議取4～6；

P——封堵體迎水面承受的總水壓力（kN）；

ρ——混凝土重度（kN/m3）；

A——堵頭斷面面積（m2）；

F——混凝土與巖石（或混凝土）的摩阻系數(shù),取 0.95～1.0；

S——堵頭斷面周長（m）；

C——混凝土與巖石（或混凝土）的抗剪斷黏結(jié)力，?。?.7～0.75）MPa；

λ——抗剪斷面積有效系數(shù)，可取0.7～0.75，主要考慮頂部接觸不良、接縫灌漿效果不佳、接觸面的處理清洗不良和混凝土收縮影響等因素。

通過上述6種計(jì)算方法比較，各種方法計(jì)算出的最小長度有比較大的差距。單純的采用某一種方法確定堵頭的長度是不完善的。堵頭取得太長，增加工程造價(jià)，取的太短則可能破壞，一旦破壞會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此，堵頭的計(jì)算長度應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況和工程類比的方法聯(lián)合確定。本次堵頭設(shè)計(jì)長度計(jì)算擬采用抗剪斷公式，同時(shí)考慮施工水平及堵頭施工質(zhì)量等綜合因素，最終確定堵頭長度。

導(dǎo)流隧洞堵頭長度確定以后，為了使堵頭符合抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)的假定，增大其安全儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)時(shí)考慮增設(shè)齒槽、錨筋、倒坡等抗剪措施。

3.3 堵頭的布置

堵頭的位置考慮到與大壩帷幕線的銜接，設(shè)置在大壩帷幕中心線附近，堵頭全長12.5m，為一整段，堵頭布置詳見堵頭設(shè)計(jì)圖2。

圖2 堵頭設(shè)計(jì)

3.4 堵頭型式

堵頭采用常規(guī)的截錘型，在堵頭底部、側(cè)面開挖齒槽，挖除堵頭段原隧洞底板襯砌混凝土與邊墻的噴混凝土，使堵頭座落在基巖上。齒槽為三角形水平斷面，前端坡比1∶2，最大挖深1.0m。側(cè)墻齒槽最大高度4.4m，側(cè)墻齒槽最大寬度7m。

在堵頭體內(nèi)設(shè)與下游相通的灌漿廊道，斷面尺寸為2.0m×2.5m，廊道底板向下游呈3.0‰坡度以利于排除廊道內(nèi)積水。在堵頭前端布置兩道止水銅片，末端布置一道止?jié){片。堵頭底板和側(cè)墻布置有梅花形插筋以增強(qiáng)其抗剪作用。

3.5 溫度控制設(shè)計(jì)

封堵堵頭屬大體積混凝上，應(yīng)采取有效的溫控措施，混凝土堵頭溫控設(shè)計(jì)的目的：一是防止混凝土裂縫，二是確定達(dá)到接觸灌漿溫度所需的冷卻時(shí)間，三是減少接縫灌漿或回填灌漿工作量。

堵頭混凝土澆筑后受周圍圍巖的約束，設(shè)計(jì)要求混凝土最高溫度不超過40℃。

在施工過程中從以下幾個(gè)方面采取措施，防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫：

（1）對(duì)混凝土原材料和配合比的選擇及施工中各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，提高混凝土的抗裂能力。

（2）降低混凝土水化熱溫升，減少每方混凝土重的水泥用量。采取薄層澆筑，層厚1.5m，間歇期5～7天，當(dāng)氣溫較高時(shí)，澆筑混凝土應(yīng)盡量采取早晚和夜間進(jìn)行。

（3）控制混凝土澆筑溫度，澆筑溫度控制在16℃之內(nèi)，4、5月份月平均氣溫較高，應(yīng)采取必要的預(yù)冷措施。

（4）堵頭混凝土冷卻蛇形管采用直徑25.4mm的鋼管，水管從堵頭下游面引出，布置間距為0.8 m，蛇形管內(nèi)流量應(yīng)控制在16 L/min左右，以保證管內(nèi)形成紊流。

3.6 灌漿設(shè)計(jì)

導(dǎo)流隧洞封堵后的滲漏由三個(gè)方面原因造成：

（1）地質(zhì)情況復(fù)雜,堵頭周圍的巖體存在漏水通道和較發(fā)育的滲水裂隙。（2）堵頭周界（特別是頂部）存在貫通的縫面。（3）在壓力水頭作用下堵頭本身和其一定范圍內(nèi)圍巖的滲水。

通常由前兩種原因引起的漏水量比較大，必須通過工程措施進(jìn)行處理。將導(dǎo)流隧洞堵頭布置在防滲帷幕處，就是為了防止由于地質(zhì)情況沒有查明引起滲漏量大時(shí)，可以通過加深帷幕來封堵巖石中的裂隙。堵頭周界的縫面經(jīng)過回填灌漿和接觸（縫）灌漿后，一般不會(huì)產(chǎn)生漏水。壓力水頭作用形成的滲流流量較小，不會(huì)在堵頭和周圍的巖石引起失穩(wěn)破壞，通?？筛鶕?jù)水力梯度的大小，對(duì)堵頭混凝土提出一定的抗?jié)B等級(jí)要求，本次設(shè)計(jì)堵頭混凝土標(biāo)號(hào)R28C25，抗?jié)B標(biāo)號(hào)≥W8，堵頭混凝土摻入適量膨脹劑。

堵頭頂拱回填灌漿控制頂拱中心角120°的范圍，控制面積約 55m2。灌漿壓力（0.2～0.3）MPa。灌漿時(shí)間可在混凝土澆筑后5～7天，設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到70%后進(jìn)行。

堵頭固結(jié)灌漿共60孔，按梅花型布置，鉆孔深入圍巖 5.0m，每排 12 孔，排距（0.9～2.5）m，灌漿壓力（0.8～1.2）MPa。

堵頭接觸灌漿是堵頭與巖石接觸面的接觸灌漿，在堵頭混凝土段內(nèi)均采用預(yù)埋硬塑料管的方式預(yù)留灌漿孔，巖石段灌漿孔可從堵頭廊道內(nèi)采用手風(fēng)鉆鉆孔，與固結(jié)灌漿采用同一孔位，灌漿壓力（0.6～0.8）MPa。

為確保堵頭回填灌漿和接觸（縫）灌漿的質(zhì)量,在堵頭的上游端設(shè)二道紫銅止水片（兼作止?jié){片），下游端設(shè)一道鍍鋅鐵皮止?jié){片。為確保接觸（縫）灌漿的施工質(zhì)量，在頂部和兩側(cè)設(shè)排氣槽。

3.7 觀測(cè)設(shè)計(jì)

堵頭應(yīng)進(jìn)行原型觀測(cè)，以指導(dǎo)封堵期施工及運(yùn)行維護(hù)。觀測(cè)設(shè)備的埋設(shè)易造成混凝土內(nèi)部的薄弱點(diǎn)，觀測(cè)設(shè)備的埋設(shè)不宜太多。結(jié)合堵頭混凝土的結(jié)構(gòu)情況，本次設(shè)計(jì)選擇以下觀測(cè)內(nèi)容：堵頭內(nèi)部溫度觀測(cè)（溫度計(jì)3支）、堵頭混凝土與巖石之間縫面觀測(cè)（測(cè)縫計(jì)2支）。

4 應(yīng)注意的問題

本工程導(dǎo)流隧洞封堵施工完工近5年了，至今運(yùn)行良好，未出現(xiàn)漏水等問題。實(shí)踐驗(yàn)證了臨時(shí)封堵采用鋼筋混凝土疊梁閘門的設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)合理的，堵頭設(shè)計(jì)也是合理安全的。但設(shè)計(jì)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，通過分析在施工過程中出現(xiàn)的問題，總結(jié)出以下幾個(gè)需完善的內(nèi)容：

（1）臨時(shí)封堵采用鋼筋混凝土疊梁閘門解決了經(jīng)濟(jì)和吊裝的問題，但是疊梁門設(shè)計(jì)分節(jié)過多對(duì)止水的施工難度很大，建議在設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮少分節(jié)。

（2）疊梁間的止水是通過埋設(shè)在疊梁底部的方型橡膠止水實(shí)現(xiàn)的，如疊梁自重過小，隨著庫水位上升，水壓增大，勢(shì)必會(huì)造成漏水。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮疊梁的尺寸，以滿足止水所需的重量。

（3）根據(jù)地質(zhì)專家意見取消了導(dǎo)流隧洞堵頭固結(jié)灌漿，修改為單排帷幕灌漿，并與大壩帷幕灌漿相結(jié)合。設(shè)計(jì)時(shí)切實(shí)考慮隧洞堵頭附近的圍巖狀況，合理減少不必要的工程措施，做到經(jīng)濟(jì)合理，并優(yōu)化施工工期。

5 結(jié) 語

導(dǎo)流隧洞作為臨時(shí)建筑物，工程量相對(duì)較小，其重要性往往被忽視。工程實(shí)踐證明，導(dǎo)流隧洞一旦失事，將給工程帶來重大的損失，特別是導(dǎo)流隧洞的下閘封堵，一旦出現(xiàn)失誤，水庫無法進(jìn)行蓄水，由于其他相關(guān)建筑物都已建成，等待投產(chǎn)發(fā)電，其后果是不堪設(shè)想的。應(yīng)充分重視導(dǎo)流隧洞的封堵，設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算分析，以確保工程安全。

[1]《水利水電工程施工手冊(cè)》編委會(huì).水利水電工程施工手冊(cè)（施工導(dǎo)(截)流與度汛工程）[M].北京：中國電力出版社，2005.

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