妙隘水庫導(dǎo)流洞改建及封堵設(shè)計

郭西方 李 婭 王建勇 胡彬彬

妙隘水庫工程位于貴州省松桃苗族自治縣境內(nèi)，由混凝土面板堆石壩、岸邊開敞式溢洪道、取水兼放空設(shè)施、輸水管道等建筑物組成。水庫正常蓄水位451.0 m，校核洪水位453.79 m，死水位438.0 m，總庫容為242萬m3，為Ⅳ等?。?）型工程，主要建筑物級別為4級。工程任務(wù)為農(nóng)田灌溉、集鎮(zhèn)及農(nóng)村供水，輸水設(shè)計流量0.45 m3/s。

面板堆石壩壩頂高程454.50 m，最大壩高35.0 m，壩頂長145.0 m。工程施工采用上、下游土石圍堰截斷河床、右岸壩肩布置1條導(dǎo)流洞泄流的導(dǎo)流方式；導(dǎo)流結(jié)束后，結(jié)合下游供水、生態(tài)水下放和水庫放空，對導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵、改建，在導(dǎo)流洞內(nèi)布置1條輸水放空管。

1 導(dǎo)流洞設(shè)計與改建

1.1 導(dǎo)流洞設(shè)計

導(dǎo)流洞設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用枯水期5年一遇，相應(yīng)洪峰流量為25.3 m3/s。工程截流選擇在施工期第1年枯水期的10月上旬，下閘時間為第2年12月底，導(dǎo)流時段歷時14個月，經(jīng)歷1個汛期。

導(dǎo)流洞沿線地面高程430～483 m，地層為志留系中統(tǒng)石牛欄群（S2sh1）及下統(tǒng)龍馬溪群（S1ln3），圍巖巖性為砂質(zhì)頁巖、泥巖或砂質(zhì)頁巖與泥巖互層，弱-微風(fēng)化為主，位于地下水位之下，構(gòu)造跡象以節(jié)理裂隙為主，未發(fā)現(xiàn)斷層。導(dǎo)流洞進(jìn)口段邊坡平緩，坡度35°～45°，基巖基本裸露，風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，局部覆蓋第四系全新統(tǒng)坡殘積碎石土，圍巖類別整體為Ⅳ類。

導(dǎo)流洞采用圓拱直墻斷面，底寬3.0 m，洞高3.5 m，其中直墻高2.63 m，拱高0.87 m，拱半徑1.73 m，頂拱角120.0°。導(dǎo)流洞長287.2 m，進(jìn)口高程428.0 m，出口高程425.2 m，底坡0.975%。導(dǎo)流洞段圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ類，采用一次錨噴與二次混凝土襯砌相結(jié)合的支護(hù)方式。Ⅲ類圍巖洞段的一次支護(hù)為頂拱范圍內(nèi)設(shè)Φ20 mm系統(tǒng)錨桿，錨桿長3.0 m，間排距1.5 m×1.5 m，頂拱和邊墻范圍內(nèi)噴混凝土厚度60 mm，二次支護(hù)采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.30 m；Ⅳ類圍巖的一次支護(hù)為頂拱和邊墻范圍內(nèi)設(shè)Φ20 mm系統(tǒng)錨桿，錨桿長2.5 m，間排距1.2 m×1.2 m，頂拱和邊墻范圍內(nèi)掛網(wǎng)噴混凝土厚100 mm，網(wǎng)筋直徑Φ8 mm，間距150 mm×150 mm，二次支護(hù)采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.40 m。

導(dǎo)流洞進(jìn)口布置塔式進(jìn)水口，長11.0 m，寬6.0 m，高26.9 m，頂高程454.50 m。進(jìn)水口采用喇叭口形式，由3.2 m×3.2 m逐漸收縮至1.2 m×1.2 m，順?biāo)飨蛞来卧O(shè)置攔污柵、事故檢修閘門、進(jìn)人孔和方變圓漸變段，底板高程為434.5 m。進(jìn)水塔下方預(yù)留導(dǎo)流泄水孔，采用切角的方形斷面，孔口尺寸為3.0 m×3.5 m，頂板厚3.0 m。進(jìn)水塔與導(dǎo)流洞同時建設(shè)、一次建成。進(jìn)水塔上游設(shè)置封堵閘，長4.4 m，寬6.0 m，閘孔尺寸為3.0 m×3.5 m，采用平板鋼閘門，設(shè)計擋水水頭25 m。

1.2 導(dǎo)流洞改建

導(dǎo)流洞主要改建項目為導(dǎo)流洞封堵、洞內(nèi)輸水放空鋼管安裝以及出口多功能調(diào)節(jié)閥室建設(shè)等。

輸水放空鋼管管徑DN 1 200 mm，以明管形式布置在導(dǎo)流洞內(nèi)。進(jìn)水塔方變圓漸變段的中心高程為435.10 m，導(dǎo)流洞平管段首端中心高程為429.28 m，高差5.82 m，呈“龍?zhí)ь^”型式連接，即鋼管以轉(zhuǎn)角為47.0°、轉(zhuǎn)彎半徑為4.0 m的上彎管段和轉(zhuǎn)角為46.4°、轉(zhuǎn)彎半徑為5.0 m的下彎管段與平管段首端連接，水平投影長12.50 m。根據(jù)“龍?zhí)ь^”鋼管段布置，導(dǎo)流洞進(jìn)口段開挖斷面加大，橫斷面采用圓拱直墻斷面，首端襯砌斷面3.0 m×7.7 m，末端襯砌斷面3.0 m×3.5 m，長12.50 m，斷面4.0 m高處設(shè)置厚0.40 m的平隔板。導(dǎo)流結(jié)束后，將此段導(dǎo)流洞回填混凝土，作為鋼管豎向轉(zhuǎn)彎段鎮(zhèn)墩。

根據(jù)導(dǎo)流洞布置，龍?zhí)ь^段的末端下游5.168 m處為導(dǎo)流洞平面轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)角39.2°，轉(zhuǎn)彎半徑45.0 m，布置在導(dǎo)流洞內(nèi)的引水鋼管相應(yīng)轉(zhuǎn)彎。根據(jù)SL 281—2003《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，明管轉(zhuǎn)彎段宜布置鎮(zhèn)墩。結(jié)合鋼管鎮(zhèn)墩布置，將回填封堵段延至鋼管轉(zhuǎn)彎末端下游的1.5 m處。妙隘水庫導(dǎo)流洞封堵段布置如圖1所示，導(dǎo)流洞封堵段斷面圖如圖2、3所示。

圖1 導(dǎo)流洞封堵段布置簡圖（單位：m）

圖2 標(biāo)準(zhǔn)封堵段剖面圖（單位：m）

圖3 龍?zhí)ь^段首端剖面圖（單位：m）

作為供水兼放空設(shè)施的控制性建筑物，多功能調(diào)節(jié)閥室布置于導(dǎo)流洞出口處，閥室長13.2 m，寬8.2 m，高15.25 m，分上、下兩層，下層為控制閥層，由主管分為3條支管，分別為水庫放空管、生態(tài)基流管和輸水管，管徑分別為DN800 mm、DN250 mm和DN700 mm，支管上均設(shè)置控制閥；上層為地面層，高8.4 m，為框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置1臺電動單梁起重機(jī)，跨度6.5 m，起重量為5 t。多功能調(diào)節(jié)閥室在導(dǎo)流結(jié)束后建設(shè)。

在工程導(dǎo)流期，上游水流經(jīng)引渠、進(jìn)水塔預(yù)留導(dǎo)流孔和導(dǎo)流洞導(dǎo)入下游河道。運行期下游供水、下放生態(tài)水量和水庫放空的水流自進(jìn)水口經(jīng)布置于導(dǎo)流洞內(nèi)的鋼管，泄向下游，滿足水庫各項任務(wù)要求。

2 導(dǎo)流洞封堵設(shè)計

2.1 封堵體位置

根據(jù)本工程改建內(nèi)容，導(dǎo)流洞回填封堵分為3段，封堵Ⅰ段即為封堵閘門下游的進(jìn)水塔底部預(yù)留導(dǎo)流孔段，長12.45 m（含封堵閘門至進(jìn)水塔間長1.45 m的孔段）；封堵Ⅱ段即為龍?zhí)ь^段，長12.50 m；封堵Ⅲ段即為鋼管平面轉(zhuǎn)彎鎮(zhèn)墩段，長37.456 m，則封堵段總長62.406 m。封堵混凝土采用C25W4二級配。

封堵Ⅱ段即龍?zhí)ь^段，作為改建和回填封堵的重點部位，為主要封堵受力段，其縱向開挖段斷面需滿足輸水鋼管布置要求，呈頂部逐漸收縮的楔形封堵體。楔形封堵體將承受的荷載傳遞于隧洞圍巖體，由于其受力條件好，超載能力較強(qiáng)，其長度主要由洞內(nèi)引水鋼管布置要求確定。

2.2 封堵體長度復(fù)核

因妙隘水庫工程主要封堵段為不規(guī)則的楔形體，計算中按等斷面導(dǎo)流洞計算封堵體長度，與楔形封堵體長度進(jìn)行對比，復(fù)核其安全性。各封堵段的導(dǎo)流洞周圈洞壁（底板、側(cè)墻和頂拱部位）要求在封堵施工前進(jìn)行清洗和鑿毛處理，以使新、老混凝土良好結(jié)合。

根據(jù)SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，封堵體的抗滑穩(wěn)定計算公式為：

式中 K——按抗剪斷強(qiáng)度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，規(guī)范規(guī)定不小于3.0；

ΣP——封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對滑動面的最大切向分值，kN；

ΣW——封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對滑動面的法向分值，向下為正，kN；

f′——混凝土與圍巖（或混凝土）的抗剪斷摩擦系數(shù)，取 f′=0.6；

C′——混凝土與圍巖（或混凝土）的抗剪斷凝聚力，取 C′=200 kPa；

Ai——除頂拱部位外，封堵體底面、側(cè)面與圍巖（或混凝土）接觸面的面積，m2；

λi——除頂拱部位外，封堵體底面、側(cè)面與圍巖（或混凝土）接觸面的有效面積系數(shù)，底面取1.0，側(cè)面取0.3。

考慮靜水壓力、自重等荷載效應(yīng)，滿足等斷面導(dǎo)流洞封堵段抗滑穩(wěn)定安全要求的計算長度為6.8 m，計算過程見表1。

表1 等斷面導(dǎo)流洞封堵段長度計算參數(shù)表

從表1可知，如僅采用導(dǎo)流洞中間段的等斷面封堵體，長度不小于6.8 m即可，龍?zhí)ь^段的楔形封堵體長度為12.5 m，可保證龍?zhí)ь^段封堵體的抗滑穩(wěn)定安全。

2.3 灌漿設(shè)計

導(dǎo)流洞襯砌后對頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，孔排距3.0 m，鉆孔深入圍巖不小于0.1 m，灌漿壓力0.3 MPa。

因?qū)Я鞫磾嗝孑^小，封堵體回填灌漿采用側(cè)壁預(yù)留灌漿管道和出漿盒、頂拱部位預(yù)留排氣槽和排氣管的引接管方法。為保證灌漿質(zhì)量，沿導(dǎo)流洞兩側(cè)直墻均布置管徑DN40 mm的進(jìn)漿管和備用進(jìn)漿管1套、回漿管和備用回漿管1套，進(jìn)漿管、回漿管之間設(shè)置豎向DN25 mm灌漿支管，間距為2.0 m，灌漿支管連接出漿盒，交錯布置，使每一出漿盒負(fù)擔(dān)的灌漿面積不大于6 m2?？紤]到龍?zhí)ь^段頂部混凝土不易回填密實，對該段增加出漿盒個數(shù)，縮小出漿盒負(fù)擔(dān)的灌漿面積。封堵Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的頂部均設(shè)置排氣槽，與DN32 mm排氣管連接，與進(jìn)、出漿管一同引至封堵體外。

灌漿施工在封堵Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的回填混凝土施工完畢，混凝土溫度降至或接近穩(wěn)定溫度后進(jìn)行，在承受荷載之前完成，按封堵Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段順序依次灌漿，灌漿壓力0.3～0.5 MPa。為防止在灌漿時漏漿，在封堵Ⅱ、Ⅲ段交界上游1.0 m處的二次襯砌周圈預(yù)留了一道橡膠止水片，在封堵Ⅲ段末端上游0.2 m處沿洞壁設(shè)置一圈遇水膨脹GB止水帶。

3 結(jié) 語

妙隘水庫工程導(dǎo)流洞規(guī)模較小，采用進(jìn)口進(jìn)水塔與導(dǎo)流洞同期一次建成。工程導(dǎo)流結(jié)束后，對導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵改建，洞內(nèi)布置向下游供水兼作水庫放空的輸水放空管。封堵體主受力段為龍?zhí)ь^段，其長度需滿足埋設(shè)引水鋼管布置要求。