小中河水電站導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計與施工

扶志斌

（湖南建工集團有限公司,湖南 長沙 410004）

1 工程概況

小中河水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1564.20 m,壩頂長度124.00 m，最大壩高40.00 m。為一高水頭、長引水式電站。設(shè)計裝機容量為22 MW，額定水頭833.6 m。

施工導(dǎo)流采用一次攔斷河床時段圍堰擋水的隧洞導(dǎo)流方式。時段圍堰擋水標準為時段11月～次年4月頻率10%的洪水，導(dǎo)流洞運行期設(shè)計最大泄量約為38 m3/s，最大流速約為10 m/s。導(dǎo)流洞布置在右岸，全長271.19 m。洞身段進水口底板高程1533.50 m，出水口底板高程1522.00 m，縱坡6.5%。隧洞斷面采用2 m×2.1 m（寬×高）圓拱直墻型，頂拱中心角180°。進水口結(jié)構(gòu)設(shè)封堵門槽，封堵閘門采用平板鋼閘門。

2 堵頭設(shè)計

2.1 堵頭的設(shè)計標準

導(dǎo)流洞堵頭為永久建筑物，其設(shè)計級別、穩(wěn)定及防滲要求等均等同于面板堆石壩，為4 級建筑物，設(shè)計洪水標準為100 年一遇，設(shè)計洪水位為1562.00 m，校核洪水標準為500 年一遇，校核洪水位為1562.22 m。

導(dǎo)流洞堵頭屬永久工程，應(yīng)與大壩防滲帷幕結(jié)合成整體。根據(jù)面板堆石壩結(jié)構(gòu)及其帷幕布置，從平面上看，導(dǎo)流洞從帷幕以下經(jīng)過，洞頂距原設(shè)計帷幕底線5 m～8 m（垂直距離）。因為導(dǎo)流洞距帷幕線較近，在導(dǎo)流洞開挖施工中，圍巖完整性會受到影響。為保證大壩防滲帷幕的完整性，防止形成滲水通道，將永久堵頭布置在導(dǎo)流洞與大壩趾板平面相交位置。堵頭施工完成后在導(dǎo)流洞內(nèi)進行帷幕補強灌漿，并將堵頭包裹在內(nèi)，與防滲帷幕結(jié)合成整體。

2.2 堵頭段地質(zhì)條件

導(dǎo)流洞埋深2.0 m～67 m，根據(jù)開挖揭露的實際地質(zhì)情況，導(dǎo)流洞圍巖巖性為灰白色、肉紅色中細?；◢弾r，中等風化至微風化，巖石堅硬，節(jié)理少量發(fā)育，多呈閉合狀，為Ⅰ、Ⅱ類圍巖，地下水主要為基巖裂隙潛水。在導(dǎo)流洞進、出口段各25 m長范圍，采用鋼筋混凝土襯砌，其余洞段采用噴錨襯砌。

導(dǎo)流洞永久堵頭計算地質(zhì)參數(shù)建議值：混凝土與Ⅱ類圍巖抗剪斷摩擦系數(shù)為1.2；堵頭混凝土與Ⅱ類圍巖抗剪斷粘聚力為1.2 MPa。

2.3 堵頭長度計算

a）計算工況

本工程設(shè)計洪水位為1562.00 m，校核洪水位為1562.22 m。堵頭處洞底高程約為1528.965 m，設(shè)計水頭33.04m，校核水頭33.26 m。

永久堵頭抗滑穩(wěn)定根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5195-2004）承載能力極限狀態(tài)驗算方法，按以下2 種工況進行計算：基本組合，上游設(shè)計水位1562.00 m情況；偶然組合，上游校核洪水位1562.22 m情況。

b)計算公式

作用效用函數(shù)：S（·）=∑PR

抗力函數(shù)：R（·）=fR∑WR+CRAR

式中：∑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，向下為正，kN；fR為混凝土與圍巖的摩擦系數(shù)；取為1.0；CR為混凝土與圍巖的粘聚力，取為1.0×103kPa；AR為除頂拱部位（90°～120°）外，封堵體與圍巖接觸面的面積，m2；

各作用效應(yīng)組合按下列設(shè)計表達式計算：

承載能力極限狀態(tài)基本組合表達式：

承載能力極限狀態(tài)偶然組合表達式：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對于結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級的結(jié)構(gòu)采用0.9；ψ為設(shè)計狀況系數(shù)，對于持久、短暫、偶然分別采用1.0、0.95、0.85；γd1為承載能力極限狀態(tài)基本組合的結(jié)構(gòu)系數(shù)，取為1.2；γd2為承載能力極限狀態(tài)偶然組合的結(jié)構(gòu)系數(shù)，取為1.2；αk為幾何參數(shù)的標準值；fk為材料性能的標準值；γm為材料性能的分項系數(shù)；Gk為永久作用的標準值；γG為永久作用的分項系數(shù)；Qk為可變作用的標準值；γQ為可變作用的分項系數(shù)；Ak為偶然作用的代表值。

設(shè)堵頭的長度為L、堵頭的面積A=3.7708 m2，封堵體剪切面周長，不計頂拱長度，周長S=4.2 m。

偶然組合時：

解得：L=0.77 m。

同樣可算出基本組合時：L=0.90 m。

經(jīng)計算，堵頭長度為0.9 m即可滿足穩(wěn)定要求。實際布置時，為了便于與大壩防滲帷幕結(jié)合成整體，確定堵頭長度為10.4 m。

類比國內(nèi)已建類似工程，堵頭長度多數(shù)是洞徑的2.5倍～3倍、擋水水頭的1/3～1/4，本工程導(dǎo)流洞永久堵頭設(shè)計長度10.4 m、約為洞徑的5 倍，約為擋水水頭的1/3。因此，堵頭長度取10.4 m是合適的。

2.4 堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

堵頭需滿足穩(wěn)定和防滲需要，本工程堵頭擋水位水頭較高，堵頭所受的荷載較大，但是導(dǎo)流洞斷面較小，周邊圍巖地質(zhì)條件較好，結(jié)合計算分析，封堵體采用等截面素混凝土結(jié)構(gòu)?；炷翉姸鹊燃墳镃20，抗?jié)B等級為W6，為增加防滲效果，在堵頭上下游設(shè)置兩道止水銅片。導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 施工組織

堵頭回填施工程序：清除松動巖石并用高壓水沖洗干凈→布設(shè)灌漿系統(tǒng)→堵頭混凝土澆筑→圍巖與堵頭混凝土頂拱回填灌漿→接觸灌漿→（導(dǎo)流洞封堵處）主壩趾板帷幕補強灌漿。

3.1 施工準備

1）導(dǎo)流洞進水口設(shè)有進水口結(jié)構(gòu)和進水口閘門，封堵蓄水時，由進水口閘門下閘封堵，進行永久堵頭的施工。

2）先將導(dǎo)流洞內(nèi)積水抽干后，檢查全洞圍巖穩(wěn)定性，如發(fā)現(xiàn)安全隱患應(yīng)先進行處理。為保證堵頭混凝土與圍巖的有效接觸，堵頭施工前將堵頭段原噴錨混凝土鑿除，對松動圍巖應(yīng)清除，并沖洗干凈。

3.2 混凝土澆筑

封堵模板采用木模板，為加強混凝土與基巖之間的粘聚性，混凝土澆筑前鋪設(shè)一層5 cm厚水泥砂漿?；炷敛捎没炷帘萌雮}，一次性澆筑完成。由于采用泵送混凝土，為保證混凝土的流動性和和易性，混凝土的塌落度控制在200 mm～230 mm之間。為保證堵頭達到穩(wěn)定溫度后進行灌漿，砼內(nèi)部埋設(shè)間距1.2 m冷卻水管。

3.3 灌漿設(shè)計施工

灌漿由預(yù)埋灌漿管進行，堵頭混凝土的強度需達到70%以上、穩(wěn)定溫度≤17℃后，再進行回填、接觸灌漿，灌漿壓力0.2 MPa～0.3 MPa。根據(jù)現(xiàn)場揭露的地質(zhì)資料，圍巖為微新巖石，無需進行固結(jié)灌漿。回填灌漿和接觸灌漿均采用預(yù)埋管，引至堵頭下游端進行。

3.3.1 回填灌漿

堵頭混凝土由于受頂拱限制，很難將頂部澆筑滿，因此需要在頂拱埋設(shè)回填灌漿管?；靥罟酀{在頂拱90°范圍內(nèi)進行，回填灌漿管孔距為1.5 m，排距為1.5 m，灌漿壓力0.2 MPa～0.3 MPa。在堵頭混凝土強度達到設(shè)計強度的70%以上后進行。在設(shè)計壓力下，灌漿管停止吸漿，即灌漿完成。

3.3.2 接觸灌漿

接觸灌漿是為了充填堵頭混凝土后期冷卻收縮產(chǎn)生的與基巖面之間的縫面，堵頭混凝土與圍巖間應(yīng)進行接觸灌漿，接觸灌漿灌漿管孔距為1.5 m，排距為1.5 m，灌漿壓力0.3 MPa～0.5 MPa。接觸灌漿需在堵頭混凝土達到穩(wěn)定溫度后進行。

4 結(jié)語

導(dǎo)流洞堵頭受地形、地質(zhì)條件及大壩帷幕灌漿位置的影響，堵頭為永久建筑物，其設(shè)計級別、穩(wěn)定及防滲要求等均等同于擋水建筑物，為了保證堵頭的封閉性，后期灌漿施工尤為關(guān)鍵。小中河水電站下閘蓄水發(fā)電約8年時間，導(dǎo)流洞堵頭未出現(xiàn)滲水和漏水現(xiàn)場，為水電站大壩的安全運行提供了有力保障。