“龍?zhí)ь^”型導(dǎo)流輸水隧洞中導(dǎo)流洞封堵體設(shè)計方法探討

汪海濤

（營口市水利勘測建筑設(shè)計院,遼寧 營口 115000）

0 引言

在水利工程建設(shè)中，因探明地質(zhì)情況而開挖的地質(zhì)探洞、輔助主洞施工用的施工支洞以及要被改建成與放空、發(fā)電、輸水等用途隧洞結(jié)合的導(dǎo)流洞，都要采用封堵體進(jìn)行封堵。盡管封堵體的工程量不大，但對水利工程的運(yùn)行安全起著及其重要的作用，設(shè)計級別應(yīng)與相應(yīng)的水工建筑物相同。目前封堵體的設(shè)計思路日趨成熟，封堵體長度計算方法較多，但是各種方法得到的結(jié)果相差很大，給設(shè)計者在封堵體設(shè)計中造成一定困擾。本文在總結(jié)規(guī)范和前人工作成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身的實踐經(jīng)歷，以某中型水庫中“龍?zhí)ь^”型導(dǎo)流輸水隧洞在50 m水頭作用下導(dǎo)流洞封堵體進(jìn)行設(shè)計，將得到的成果與大家分享，以供大家在今后的封堵體設(shè)計中參考。

1 封堵體設(shè)計

進(jìn)行封堵體設(shè)計時，首先應(yīng)根據(jù)封堵體的布置原則、受力特性來選擇封堵體的結(jié)構(gòu)形式，然后進(jìn)行封堵體長度計算。計算方法是封堵體設(shè)計中最為關(guān)鍵和核心的技術(shù)問題，因此封堵體設(shè)計主要主要從以下幾個方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.1 設(shè)計原則

本文中導(dǎo)流輸水隧洞布置形式為“龍?zhí)ь^”型，導(dǎo)流洞在前期施工中用于施工導(dǎo)流，導(dǎo)流結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行封堵，輸水隧洞在工程完成后進(jìn)行輸水。封堵體的設(shè)計應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)條件、支護(hù)及襯砌方式、施工方法、相鄰建筑物大壩，溢洪道布置情況等共同確定[1]。本文根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（水利版2016、電力版2004），結(jié)合“龍?zhí)ь^”型導(dǎo)流輸水隧洞導(dǎo)流洞的封堵問題，對封堵體的設(shè)計原則如下[2]：

（1）該工程導(dǎo)流輸水隧洞為永久建筑物，封堵體也屬于永久建筑物，建筑物級別應(yīng)與大壩，溢洪道等樞紐建筑物級別相同。

（2）封堵體宜設(shè)置在工程地質(zhì)較好的地段，應(yīng)避開斷層等不良地質(zhì)洞段。

（3）封堵體設(shè)置在輸水洞與導(dǎo)流洞相交的圓弧段，在龍?zhí)ь^圓弧段，斜坡段應(yīng)進(jìn)行固結(jié)灌漿，布置形式見圖1。

圖1 龍?zhí)ь^型封堵體布置形式

此外，封堵體設(shè)計應(yīng)充分考慮施工條件、施工水平，并考慮施工工期等因素。

1.2 封堵體受力特性

封堵體承受的荷載可劃分為有利荷載和不利荷載，其中自重、圍巖壓力、灌漿壓力為有利荷載，水壓力、外部滲水壓力及地震區(qū)考慮的地震荷載為不利荷載，封堵體設(shè)計中可忽略有利荷載作用，對不利荷載影響應(yīng)認(rèn)真考慮以保證封堵體設(shè)計安全[2～3]。封堵體荷載情況見表1。

表1 封堵體荷載情況表

1.3 封堵體體型選擇

封堵體的體型設(shè)計應(yīng)根據(jù)水頭、斷面形狀及施工等因素綜合考慮后確定，目前封堵體形狀主要有柱狀，楔形及板殼形，其中柱狀、楔形形狀結(jié)構(gòu)簡單，施工方便、快速，施工工期短，在水工隧洞中使用較廣泛，板殼形盡管在工程量較柱狀、楔形省，同時結(jié)構(gòu)承載能力較好，但施工程序復(fù)雜，工程質(zhì)量難以保證[3]，如果施工不好，將起不到封堵作用，故一般不選擇使用。本文經(jīng)綜合考慮后選擇柱狀封堵體結(jié)構(gòu)形式，考慮到外水壓力較大，應(yīng)增加封堵體長度。

2 封堵體計算方法

堵封體計算方法歸結(jié)為經(jīng)驗公式、結(jié)構(gòu)計算以及數(shù)值計算3 種，本文在依據(jù)水工設(shè)計規(guī)范，總結(jié)前人工程經(jīng)驗等計算方法的基礎(chǔ)上，剔除掉水工隧洞設(shè)計規(guī)范（SL 279-2002）中利用沖剪切理論計算封堵體長度的計算方法，新加入SL 279-2016 版中堵封體的計算方法，并在結(jié)構(gòu)計算中考慮了材料性能分項系數(shù)、荷載分項系數(shù)及安全分項系數(shù)的影響。經(jīng)分析比較，計算方法如下[4～6]：

（1）封堵體長度一般取封堵隧洞開挖洞徑（或洞寬）的3倍以上，部分小型工程取2倍洞徑，即L≥（2～3）D，式中L為封堵體長度，D為封堵洞洞徑（或洞寬）。

（2）挪威經(jīng)驗公式：L≥（3～5）H/100，式中H為水頭，L為堵封體長度。

（3）按經(jīng)驗公式：L=HD/50，式中H為水頭，D為洞涇，當(dāng)隧洞為非圓形時，換算直徑D為（4A/π）（1/2）。

以上三種方法均為半經(jīng)驗或工程經(jīng)驗公式，在封堵體長度計算時未全面考慮封堵體的影響因素，在計算結(jié)果上相差大，其中方法（1）只考慮洞涇大小，未考慮水頭的影響因素，設(shè)計中若水頭較小而設(shè)計斷面較大時，計算結(jié)果偏大，相反水頭較大而設(shè)計斷面較小時，封堵體長度計算偏小，因此計算時根據(jù)工程經(jīng)驗，水頭較大時相應(yīng)取大值以保證安全；方法（2）只考慮水頭，未考慮斷面影響因素，計算時若斷面較小，前面系數(shù)應(yīng)取較小值為合理；方法（3）盡管考慮了水頭和斷面因素，但工程經(jīng)驗表明，在高水頭時，封堵體長度計算偏于安全。

（4）電力版《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（DL 5195-2004）中采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，封堵體長度由抗滑穩(wěn)定公式計算，計算公式如下：

式中：γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)；γo為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對于該導(dǎo)流隧洞取0.9；φ為設(shè)計狀況系數(shù)；S(·)為作用效應(yīng)函數(shù)，計算時考慮荷載分項系數(shù)；R(·)為結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)；∑PR為滑動面上封堵體承受的全部切向作用之和，kN；∑WR為滑動面上封堵體全部法向作用之和，kN；CR為混凝土與圍巖的黏聚力，kPa；fR為混凝土與圍巖的摩擦系數(shù)；AR為除頂拱部位（90°～120°）外,封堵體與圍巖接觸面的面積，m2。

（5）原水工隧洞設(shè)計規(guī)范水利版（SL 279-2002）堵封體長度計算公式根據(jù)規(guī)范修改不再使用，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行水工隧洞設(shè)計規(guī)范（SL 279-2016）中封堵體的抗滑穩(wěn)定公式計算：

式中各物理量代表的含義詳見水工隧洞設(shè)計規(guī)范（SL 279-2016）。

3 工程實例

3.1 封堵體長度計算

以新建某工程為中型水庫，導(dǎo)流輸水隧洞采用“龍?zhí)ь^型”布置，凈斷面采用寬×高為2.2 m×2.5 m圓拱直墻型斷面，布置形式見圖1，導(dǎo)流洞底板高程2097.6 m，輸水隧洞底板高程2115.6 m，設(shè)計洪水位為2150.5 m，導(dǎo)流洞專用段長70 m，前期采用導(dǎo)流洞進(jìn)行導(dǎo)流，導(dǎo)流結(jié)束后對導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵，將導(dǎo)流洞改建成輸水洞進(jìn)行輸水。

根據(jù)地質(zhì)情況及工程經(jīng)驗類比，堵封體位置處圍巖類別為Ⅳ類，計算圍巖混凝土間的摩擦系數(shù)f=0.6，粘聚力c=400 kPa，混凝土容重r=2400 kg/cm3，剃度安全系數(shù)K取8，各種方法計算得到的封堵體長度見表2。

表2 封堵體長度的計算成果

根據(jù)以上結(jié)果可知，5 種計算方法所得到的封堵體的長度結(jié)果相差較大，結(jié)果最大相差7.32 倍。本工程綜合方法（4）、方法（5），最后采用現(xiàn)行《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL 297-2016）的計算方法，導(dǎo)流輸水隧洞封堵體長度L取4 m。

3.2 結(jié)果分析

（1）方法（1）未考慮水頭、其它荷載等因素的影響，以3 倍的開挖洞寬計算所得的結(jié)果偏大，一般不推薦使用。

（2）方法（2）未考慮斷面大小、形狀以及其它荷載等因素的影響，計算結(jié)果偏小，在高水頭作用下，所得結(jié)果與其他方法計算結(jié)果相差大。

（3）方法（3）同時考慮了斷面、水頭因素，但在大斷面、高水頭作用下計算結(jié)果偏于保守，應(yīng)考慮在低水頭下計算封堵體長度較合理。

（4）方法（4）、（5）均采用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法，在計算原理上相同，不同點在于對某些系數(shù)處理方法上不同，結(jié)果相差不大，在水工隧洞封堵體長度計算上較為常用。

4 結(jié)論及建議

通過工程實例封堵體長度計算結(jié)果可以看出，各種計算方法在計算封堵體長度上相差很大，絕不能采用其中一種方法確定其長度，長度太長，會影響造價及施工工期，太短容易引起水利擊穿或者封堵體滑動。在封堵體體型、受力等確定的前提下，采取幾種方法組合計算封堵體長度，并結(jié)合工程經(jīng)驗最終確定封堵體長度，建議如下：

（1）封堵體的設(shè)計應(yīng)結(jié)合隧洞斷面、水頭及施工工序等因素考慮，并參照規(guī)范、工程經(jīng)驗及施工環(huán)境選擇封堵體體結(jié)構(gòu)。

（2）在一般水利工程中，建議優(yōu)先考慮《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（水利、電力版）中封堵體計算公式進(jìn)行計算，再根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行驗算，前后計算結(jié)果相差較大時，以前者計算結(jié)果為準(zhǔn)。

（3）在一些大、中型及高水頭作用水利工程中，建議采用三維有限元建模分析計算[7]，所得成果更加合理、準(zhǔn)確，同時，在大斷面封堵體設(shè)計時對工程質(zhì)量、投資要求較高時，考慮設(shè)計成殼體結(jié)構(gòu)形式，并保證其施工質(zhì)量。