板澗河調(diào)蓄水庫導(dǎo)流洞封堵設(shè)計(jì)

李 敏

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

1 工程概況

板澗河調(diào)蓄水庫位于運(yùn)城市垣曲縣板澗河村下游約1.5 km處，主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪洞、補(bǔ)水泵站和連通洞進(jìn)水塔。大壩和補(bǔ)水泵站為2級(jí)建筑物，溢洪道和泄洪洞為3級(jí)建筑物。洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，1 000年一遇校核。水庫庫容3 336萬m3，采用面板堆石壩，最大壩高85 m。正常蓄水位535.5 m，汛期限制水位535.5 m，死水位498 m，設(shè)計(jì)洪水位535.5 m，校核洪水位為538.53 m。

2 導(dǎo)流洞概況

根據(jù)板澗河水庫工程總體布置，泄洪洞進(jìn)口設(shè)計(jì)為龍?zhí)ь^，進(jìn)水口底高程為490 m，不能滿足施工導(dǎo)流需求，需修建施工導(dǎo)流洞，并與永久泄洪洞結(jié)合。

導(dǎo)流洞布置于大壩左岸溢洪道與泄洪洞之間，洞進(jìn)口距壩軸線約300 m，洞軸線方向S68.5°E。洞長258m，設(shè)計(jì)導(dǎo)流流量為66.9 m3/s，進(jìn)口底高程470.46 m，設(shè)計(jì)縱坡1/100，城門洞型，底寬4 m，直墻高3.6 m，拱高1 m，拱半徑2.5 m，拱中心角106°。施工導(dǎo)流洞在樁號(hào)泄0+150處與泄洪洞相接，施工導(dǎo)流洞與泄洪洞的水平夾角為15°，之后由泄洪洞導(dǎo)流。

3 導(dǎo)流洞封堵設(shè)計(jì)

3.1 封堵體的位置和型式

為了水庫能及時(shí)蓄水，按期受益，施工導(dǎo)流洞在完成導(dǎo)流任務(wù)后，必須有計(jì)劃地進(jìn)行封堵。導(dǎo)流洞封堵體與板澗河調(diào)蓄水庫連通，根據(jù)我國幾十年來的水利水電建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，封堵體是水工結(jié)構(gòu)的組成部分，它的安全運(yùn)行直接影響水庫的蓄水安全和運(yùn)行安全，因此，導(dǎo)流洞封堵體的設(shè)計(jì)級(jí)別與板澗河大壩相同，按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)按永久建筑物設(shè)計(jì)。

導(dǎo)流洞封堵體位置應(yīng)設(shè)在地質(zhì)條件較好的洞段，根據(jù)圍巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合大壩左岸帷幕灌漿布置。導(dǎo)流洞進(jìn)口段為Ⅳ類圍巖，內(nèi)部均為Ⅲ類圍巖，導(dǎo)流洞線在樁號(hào)0+131處與帷幕灌漿線相交，因此在樁號(hào)0+131前后處設(shè)置封堵體。由于導(dǎo)流洞與泄洪洞在樁號(hào)0+242.5 m處相接，為避免泄洪洞內(nèi)下泄水流進(jìn)入導(dǎo)流洞內(nèi)，在導(dǎo)流洞末端與泄洪洞相接處也應(yīng)封堵，封堵體長度為6 m，等斷面延伸至泄洪洞，并與泄洪洞平順相接。因此，板澗河調(diào)蓄水庫導(dǎo)流洞封堵體布置為兩處，分別為樁號(hào)0+131 m、0+242.5 m。導(dǎo)流洞封堵安排在大壩具備蓄水條件且在非汛期水量較小時(shí)段，先封堵中間段，待水庫蓄水確認(rèn)其封堵安全后，再封堵與泄洪洞交叉處的末端段。

導(dǎo)流洞封堵體的型式有圓柱形，楔形，板殼形等型式，板澗河調(diào)蓄水庫導(dǎo)流洞最大設(shè)計(jì)水頭接近70 m，設(shè)計(jì)水頭相對(duì)較高，因此選用超載能力強(qiáng)，受力條件較好的楔形體型。

3.2 導(dǎo)流洞封堵體長度的計(jì)算

確定封堵體長度的計(jì)算方法有5種，在《水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2002）推薦圓柱面沖壓剪切原則計(jì)算，在《水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）推薦抗滑穩(wěn)定理論。本次只對(duì)兩本規(guī)范推薦的兩種方法進(jìn)行計(jì)算和論證。

3.2.1 圓柱面沖壓剪切原則計(jì)算

圓柱面沖壓剪切原則計(jì)算，按等斷面封堵體進(jìn)行計(jì)算，等斷面封堵體計(jì)算公式：

式中：L——封堵體長度，m；

P——封堵體迎水面承受的總水壓力，MPa；

[τ]——容許剪應(yīng)力，取0.2 MPa；

A——封堵體剪切面周長，15.83 m；

樁號(hào)0+131處的底高程為469.15 m，水庫校核洪水位為538.53 m，設(shè)計(jì)水頭為69.38 m，P=23.6 MPa，經(jīng)計(jì)算封堵體長度為7.4 m。

3.2.2 抗滑穩(wěn)定理論計(jì)算

抗滑穩(wěn)定理論計(jì)算公式：

式中：K——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，基本荷載組合時(shí)取3.0，特殊荷載組合時(shí)為2.5；

S——荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

R——封堵體的承載力設(shè)計(jì)值。

荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值計(jì)算公式：

式中：S——荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值

∑P——封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對(duì)滑動(dòng)面的最大切向分值，kN。

封堵體的承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式：

式中：R——封堵體的承載力設(shè)計(jì)值；

f′——混凝土與圍巖或混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù)，取0.9；

∑W——封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對(duì)滑動(dòng)面的法向分值，向下為正，kN；

C′——混凝土與圍巖或混凝土與混凝土的抗剪斷凝聚力，取700 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；

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λ=1，側(cè)面取λ=0.3。

為使抗滑穩(wěn)定理論計(jì)算公式成立，經(jīng)過多次試算，封堵體長度最短為7.3 m。

3.2.3 封堵體長度確定

通過上述兩種方法的計(jì)算，封堵體最短長度為7.4 m；以往我國確定封堵體的長度常采用估算法，按封堵體洞徑的3倍以上計(jì)算，板澗河調(diào)蓄水庫導(dǎo)流洞的底寬為4 m，封堵體長度不能小于12 m；再參考已經(jīng)建成的和正在運(yùn)行的類似工程，如柏葉口水庫工程，壩高和導(dǎo)流洞情況與板澗河調(diào)蓄水庫很相似，封堵體長度取12 m。經(jīng)綜合考慮，板澗河調(diào)蓄水庫導(dǎo)流洞封堵體設(shè)計(jì)長度采用12 m。

3.3 封堵體的灌漿

封堵體采用大體積鋼筋混凝土，由于重力作用以及混凝土的干縮作用，使得封堵體與周圍的巖石之間存在縫隙，形成滲水通道，如果滲流量過大，會(huì)使封堵體的承載力下降，為了盡量避免這一情況發(fā)生，確保封堵體安全運(yùn)行，封堵體必須進(jìn)行固結(jié)灌漿、回填灌漿、接觸灌漿和接縫灌漿。

板澗河調(diào)蓄水庫導(dǎo)流洞封堵體段，要求開挖成楔形不平整結(jié)構(gòu)，混凝土澆筑時(shí)在距封堵體端部3 m處洞中央設(shè)置2 m×2.6 m的灌漿廊道，四周預(yù)留固結(jié)灌漿孔，固結(jié)灌漿孔深入巖石3 m，排距為2 m，呈梅花形布置。在封堵體全段頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，應(yīng)按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行灌漿，回填灌漿壓力為0.3 MPa。在直墻和洞底的混凝土裂縫充分張開后進(jìn)行接觸灌漿、接縫灌漿。

4 結(jié)論

施工導(dǎo)流洞為施工時(shí)完成導(dǎo)流任務(wù)的臨時(shí)建筑物，導(dǎo)流洞封堵是水庫蓄水前的必要條件，封堵體是水工結(jié)構(gòu)的組成部分，為永久性建筑物，它的安全運(yùn)行直接影響水庫的蓄水安全和運(yùn)行安全，因此在設(shè)計(jì)和施工中都應(yīng)該引起足夠的重視。通過本文的闡述，介紹了導(dǎo)流洞封堵設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。