圍巖導(dǎo)流洞的封堵技術(shù)探析

摘 要：導(dǎo)流洞是水庫大壩施工時(shí)為引導(dǎo)庫區(qū)來水而在巖石山體內(nèi)開鑿的臨時(shí)圍巖洞體。水庫下閘蓄水前需對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵。由于大壩導(dǎo)流洞斷面較大，在高水頭條件下混凝土堵頭將承受巨大的水壓力。同時(shí)，導(dǎo)流洞在封堵時(shí)還得考慮庫區(qū)上游來水的影響。這些都需要對(duì)導(dǎo)流洞封堵進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)規(guī)劃，以保證混凝土堵頭的施工和運(yùn)行時(shí)的安全可靠。本文對(duì)佘家河水電站大壩導(dǎo)流洞的設(shè)計(jì)和施工過程進(jìn)行了解析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以供類似大壩導(dǎo)流洞封堵作參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流洞；堵頭設(shè)計(jì)；抗滑穩(wěn)定；堵頭施工

引 言

佘家河水電站大壩根據(jù)河谷對(duì)稱，形狀為V型的特點(diǎn)，修建拱壩為園弧曲線雙曲拱壩，壩頂高程為435.3m，中間設(shè)開敞式溢洪道，正常水位高程與堰頂溢流面高程相同為429m。導(dǎo)流洞位于大壩右岸巖石山體內(nèi)，洞體截面形心高程379m，寬高各約8m，頂部呈弧形，呈城門洞型。在大壩、引水隧洞及發(fā)電廠房施工完畢，已具備發(fā)電條件后，決定對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵。由于導(dǎo)流洞水頭高，施工條件差，需邊導(dǎo)流邊封堵。參建各方對(duì)導(dǎo)流洞的設(shè)計(jì)、施工進(jìn)行了精心安排，以確保萬無一失。

1 堵頭工作機(jī)理

在水下，堵頭要承受深水靜壓力、揚(yáng)壓力及自重力等多方面受力。另外，還有后期接縫灌漿產(chǎn)生的微脹握裹力。錐形體、鍵槽或錨桿等都能增加堵頭的穩(wěn)定性。現(xiàn)在只將其作為安全儲(chǔ)備，而在計(jì)算中只考慮四周平直的等截面洞體情況。堵頭受壓后，其周邊接縫處產(chǎn)生剪力，當(dāng)這種剪力超過堵頭的抗剪力后，將出現(xiàn)塑性變形。變形量過大，則將導(dǎo)致堵頭的失穩(wěn)。

2 堵頭的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

堵頭的位置應(yīng)根據(jù)圍巖的工程地質(zhì)、水位條件以及導(dǎo)流洞的襯砌情況分析確定。佘家河水電站大壩導(dǎo)流洞是從右岸壩下巖體內(nèi)穿過，壩下防滲線位于封堵體前端1/4處。堵頭長(zhǎng)度的確定有以下方法：

2.1 力學(xué)公式

L=Kγ水×Hw×[f′w（γ混凝土-γ水）+c′s×a]-1

式中：L——堵頭設(shè)計(jì)長(zhǎng)度m；K——安全系數(shù)，（設(shè)計(jì)K=3）；γ水——水的容重（1.0×10-2MN/M3）；H——作用水頭m；w——堵頭截面積m2；f′——混凝土與混凝土或混凝土與巖石間的抗剪斷摩擦系數(shù)，取f′=0.7；γ混凝土——混凝土容重（2.4×10-2MN/M3）；c′——堵頭周界粘聚力，取c′=0.5MPa；S——堵頭周長(zhǎng)（m）；a——為周界粘結(jié)有效面積系數(shù)，取a=0.9。

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式

L=HD/50

式中：L——堵頭設(shè)計(jì)長(zhǎng)度m；H——作用水頭m；D——混凝土堵頭的等效直徑（m），D=（4w/π）0.5。

根據(jù)以上公式，將作用水頭50m，堵頭截面積69m2，堵頭周長(zhǎng)34m，f′值根據(jù)《房縣白沙河流域一級(jí)佘家河水電站工程設(shè)計(jì)報(bào)告》報(bào)審資料，巖體物理力學(xué)性指標(biāo)結(jié)合導(dǎo)流洞地質(zhì)情況，巖石類別主要為IV類圍巖進(jìn)行取值為0.7。

將以上數(shù)據(jù)代入力學(xué)公式計(jì)算得：

L=3×1.0×10-2×50×69×[0.7×69×（2.4×10-2-1.0×10-2）+0.5×34×0.9]-1=6.45m。

代入經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得：

L=50×8/50=8m

在參考兩種計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程條件，施工時(shí)為保險(xiǎn)起見，最終定為8.5m。

3 堵頭的施工

3.1 施工方案

由于要考慮導(dǎo)流洞的排水，施工時(shí)不可能將導(dǎo)流洞一次封死。壩區(qū)平時(shí)不下雨時(shí)流量較小，經(jīng)設(shè)計(jì)，在洞內(nèi)埋設(shè)大直徑導(dǎo)流鋼管（？準(zhǔn)1400mm）。在導(dǎo)流洞進(jìn)口處用沙袋、編織布、棉絮等進(jìn)行圍筑截流。導(dǎo)流管埋于截流墻內(nèi)。這樣庫區(qū)來水就由導(dǎo)流管排除壩外了（只有少量滲流不影響施工）。在導(dǎo)流管進(jìn)口端安裝蝶閥（自制），管身頂部預(yù)留二次混凝土施工孔，并預(yù)埋？準(zhǔn)300mm塑料或鋼管延伸至壩外（須用？準(zhǔn)50鋼管支架固定并有一定角度以便混凝土向下流入導(dǎo)流管內(nèi)）。同時(shí)，應(yīng)在堵體混凝土施工前在導(dǎo)流洞四壁分區(qū)埋設(shè)接觸灌漿系統(tǒng)。待導(dǎo)流洞澆筑混凝土封堵完畢，將進(jìn)口蝶閥關(guān)閉（閥前再用棉絮等塞緊），導(dǎo)流管出口用鋼板焊接封閉，再對(duì)導(dǎo)流洞堵頭進(jìn)行二次混凝土澆筑（由于導(dǎo)流管內(nèi)澆注無法振搗，故混凝土要求塌落度較大，需達(dá)到20cm以上，并提高其強(qiáng)度等級(jí)，管內(nèi)外交叉焊接鋼筋頭，以起到錨固作用）。最后，通過預(yù)埋的接縫灌漿系統(tǒng)對(duì)堵頭周界進(jìn)行接觸灌漿。

3.2 混凝土澆注溫度控制

由于佘家河水電站的導(dǎo)流洞處水頭較高，水庫水溫較低，大概在10℃左右，（一般，導(dǎo)流洞內(nèi)溫度基本恒定），對(duì)堵頭穩(wěn)定溫度影響不大?；A(chǔ)溫差，可根據(jù)重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的計(jì)算公式，依據(jù)混凝土熱學(xué)參數(shù)、澆筑溫度、水管冷卻等計(jì)算溫度應(yīng)力，并根據(jù)堵頭混凝土的允許拉應(yīng)力確定基礎(chǔ)溫差。由穩(wěn)定溫度、基礎(chǔ)溫差確定堵頭混凝土施工期最高溫度。

以混凝土允許最高溫度為控制原則制定各種溫控措施。視當(dāng)?shù)貧夂驐l件可采用控制砂石料及水的溫度、減少水泥用量、堵體分段、采用低熱水泥、冷卻水管等溫控措施。為滿足施工要求，堵體混凝土大都采用常態(tài)混凝土泵送澆筑。

混凝土溫升較高，而堵體從開始施工到承擔(dān)高水頭運(yùn)行時(shí)間較短。為盡快進(jìn)行接縫（或回填）灌漿。在接縫灌漿前堵體溫度必須快速降至穩(wěn)定溫度場(chǎng)方可進(jìn)行。那么，只有充分依靠冷卻水管方能達(dá)到。需注意三個(gè)方面的問題：一是使冷卻水溫和混凝土溫度有20～25℃的溫差，以保證冷卻效果；二是保證堵體混凝土溫度下降速度控制在0.5～0.8℃/d，降溫速度太低影響接縫灌漿時(shí)間，速度太快容易使混凝土受到冷擊而造成損傷；三是加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)冷卻水溫度和混凝土溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)成果對(duì)冷卻水溫及時(shí)調(diào)整。

3.3 堵體止水、灌漿

導(dǎo)流洞封堵還需注意沿周界設(shè)置止水設(shè)施以及灌漿，以防漏水。

（1）止水。高水頭堵體應(yīng)在上游側(cè)設(shè)置止水銅片，必要時(shí)還可在銅片止水前設(shè)置1道膨脹止水條。堵體周邊如為基巖，可在堵體施工前沿止水開挖止水基槽設(shè)置止水，混凝土基槽設(shè)置錨桿；周邊如為混凝土襯砌，可在施工襯砌時(shí)將止水埋入。堵體下游側(cè)可設(shè)簡(jiǎn)易止水兼做接觸灌漿止?jié){片。

（2）回填灌漿。封堵體必須做好回填灌漿，灌漿壓力可適當(dāng)提高，可采用0.6～0.8MPa（常規(guī)0.3～0.4MPa）。如堵體施工前已有襯砌，必須對(duì)原襯砌頂部再次進(jìn)行回填灌漿。范圍為向堵體上下游側(cè)延伸不少于1倍洞徑長(zhǎng)度。

（3）接縫灌漿。接縫灌漿是保證堵體與原襯砌或圍巖、堵體分段之間有效傳遞應(yīng)力的必要措施。灌漿需在堵體混凝土溫度基本達(dá)到穩(wěn)定溫度場(chǎng)時(shí)方可進(jìn)行。為增強(qiáng)堵體圍壓效應(yīng)，建議適當(dāng)?shù)靥岣吖酀{壓力，如采用1～1.5MPa（常規(guī)為0.3～0.4MPa）。為保證灌漿效果，應(yīng)在堵體混凝土施工前分區(qū)預(yù)埋設(shè)接縫灌漿系統(tǒng)。

3.4 堵體監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

堵體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為溫度、滲壓、接縫監(jiān)測(cè)，儀器布置應(yīng)簡(jiǎn)單，應(yīng)考慮滲壓和接縫監(jiān)測(cè)儀器也可兼做溫度監(jiān)測(cè)儀器。

3.5 堵體與混凝土或基巖面處理

堵體承受的水推力通過接觸面的摩阻傳向周界從而保持穩(wěn)定，因此必須重視對(duì)接觸面的處理。如堵體接觸面為基巖，必須清除基巖面松動(dòng)的塊石，并保證基巖面為干凈的原巖；如對(duì)基巖面已進(jìn)行了混凝土噴護(hù)，則需徹底的清除堵體部位的噴護(hù)混凝土后方可澆筑堵頭混凝土；如堵體接觸面為混凝土，則需對(duì)襯砌混凝土進(jìn)行徹底的鑿毛處理。建議將襯砌混凝土鑿出小石（一般混凝土鑿毛為無乳皮，微露粗砂），以增強(qiáng)摩阻力。

4 結(jié) 語

堵頭的設(shè)計(jì)，既要考慮造價(jià)和安全，也要考慮工期。導(dǎo)流洞的堵頭長(zhǎng)度考慮過于安全，將使本來短暫的工期變得緊張，也造成一定浪費(fèi)。因此，在堵頭設(shè)計(jì)與施工過程中，把握關(guān)鍵，注重細(xì)節(jié)，是保證堵頭安全施工和運(yùn)行的原則。

參考文獻(xiàn)

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