涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程導(dǎo)流洞封堵設(shè)計(jì)研究

李 帥，劉智杰，李頌章

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 概 述

涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程壩址位于永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)，湘水支流瀟水上游涔天河峽谷出口處。工程為Ⅰ等大（Ⅰ）型水利水電樞紐工程，正常蓄水位為313.0 m，校核洪水位為320.27 m，總庫(kù)容為15.1 億m3。樞紐工程大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程324.0 m，最大壩高114m，大壩施工利用原混凝土老壩作為上游圍堰，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇9 月～次年4 月（Q=1 690 m3/s），利用導(dǎo)流洞單獨(dú)泄流，汛期采用壩體臨時(shí)斷面度汛。

導(dǎo)流隧洞布置于右岸，設(shè)計(jì)采用導(dǎo)流洞與2#泄洪洞部分結(jié)合的方式，結(jié)合段長(zhǎng)673.95 m，非結(jié)合段長(zhǎng)146.25 m。隧洞進(jìn)口底板高程238.8 m，洞身采用城門型斷面，洞身采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌后斷面尺寸12 m×12.5 m。

2 封堵體設(shè)計(jì)

涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程大壩為1 級(jí)建筑物，導(dǎo)流洞封堵體直接與水庫(kù)連通，設(shè)計(jì)級(jí)別、穩(wěn)定及防滲要求均與大壩一致，由于導(dǎo)流洞本身的斷面大、洞身地質(zhì)條件復(fù)雜，給導(dǎo)流洞封堵體的設(shè)計(jì)帶來(lái)了較大的難度。

2.1 封堵體布置

導(dǎo)流洞非結(jié)合段全長(zhǎng)146.25 m，封堵體的布置主要考慮后期2#泄洪洞的運(yùn)行，同時(shí)兼顧洞身地質(zhì)條件的因素，最終確定布置在導(dǎo)流洞與2#泄洪洞交匯位置（樁號(hào)導(dǎo)0+087）附近，高程237.5 m 左右。該段圍巖屬D12細(xì)砂巖、粉砂巖與石英砂巖互層，開(kāi)挖初期支護(hù)采取布置Φ25 隨機(jī)錨桿（長(zhǎng)度4 m），頂拱掛Φ6.5 mm@200 mm 鋼筋網(wǎng)、噴15 cm 厚C20 混凝土的方式，二期支護(hù)采用C25 混凝土進(jìn)行襯砌，襯砌厚度60 cm。由于在初步設(shè)計(jì)階段考慮了封堵體布置在該區(qū)域，在導(dǎo)流洞的前期設(shè)計(jì)中考慮了對(duì)該區(qū)域的固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)，固結(jié)灌漿孔布置在隧洞頂拱及側(cè)墻，采用間、排距2.5 m 的梅花形布置，灌漿深度5 m。

封堵體施工時(shí)，導(dǎo)流洞封堵閘門已經(jīng)下閘擋水，考慮到閘門可能存在止水效果不佳的問(wèn)題，在封堵體上游設(shè)置了擋水坎和兩根Φ300 mm 的自流排水鋼管，以保證封堵體施工時(shí)的干地作業(yè)。

2.2 封堵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前隧洞的封堵體型式主要有楔形和圓柱形兩種，楔形封堵體在受到上游庫(kù)水的水平推力時(shí)能夠?qū)⑺酵屏鶆虻貍髦翆?dǎo)流洞洞壁，這樣就能充分地利用巖壁的承壓作用，但缺點(diǎn)是封堵體實(shí)施前需要對(duì)原有隧洞襯砌進(jìn)行混凝土破拆、鋼筋切割、洞身擴(kuò)挖，施工難度較大，工期長(zhǎng)。柱形封堵體受力條件不如楔形封堵體，但可直接在隧洞內(nèi)實(shí)施，無(wú)其他工序，施工簡(jiǎn)單便捷。由于本工程導(dǎo)流洞斷面大，楔形體的施工難度高，同時(shí)結(jié)合后續(xù)工程的節(jié)點(diǎn)要求，本次封堵體設(shè)計(jì)采取在原混凝土襯砌面上直接鑿毛，澆筑柱形堵頭的方案。

2.3 封堵體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，封堵體長(zhǎng)度的計(jì)算方法，除了有限元計(jì)算方法以外主要有以下幾種：

1）經(jīng)驗(yàn)公式法。按照3 倍以上洞徑或洞寬確定堵頭長(zhǎng)度：L=3×D=36.75 m，該計(jì)算方法的缺陷是沒(méi)有考慮水頭、抗剪斷凝聚力、摩擦系數(shù)等因素。

按照3～5 倍設(shè)計(jì)最大水頭確定堵頭長(zhǎng)度：L=（3～5）H/100=4.14 m，該計(jì)算方法的缺陷是沒(méi)有考慮水頭、抗剪斷凝聚力、摩擦系數(shù)等因素，同時(shí)忽略了隧洞本身的斷面情況。

以設(shè)計(jì)最大水頭與隧洞洞徑為參數(shù)確定堵頭長(zhǎng)度：L=H×D/50＝20.28 m。該計(jì)算方法的缺陷是沒(méi)有考慮抗剪斷凝聚力、摩擦系數(shù)等因素。

2）按照混凝土圓柱面抗沖壓剪切方法：

式中 P——封堵體迎水面總水壓值，本次計(jì)算水位按校核洪水位（320.27 m）考慮，采取底板處（高程236.9 m）應(yīng)力值作為特征值；

[τ]——容許剪應(yīng)力，取0.2～0.3 MPa；

A——封堵體剪切面周長(zhǎng)。

除頂拱部位外，一般認(rèn)為底面有效接觸系數(shù)λ=1，側(cè)面有效接觸系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況確定，本次計(jì)算取側(cè)面有效系數(shù)λ=0.5。

經(jīng)過(guò)計(jì)算封堵體長(zhǎng)度為31.50 m。

3）《水利水電工程施工手冊(cè)》推薦采用的抗剪強(qiáng)度公式：

式中 K1——摩擦力的安全系數(shù)，取1.05～1.15；

K2——凝聚力的安全系數(shù)，取4～6；

S——堵頭斷面周長(zhǎng)（m）；

A——堵頭斷面面積；

γ——混凝土重度（kN/m3）；

λ——抗剪斷面積有效系數(shù)；

f——混凝土與巖石（或混凝土）的內(nèi)摩擦系數(shù)；

C——混凝土與巖石（或混凝土）的抗剪斷黏結(jié)力。

經(jīng)過(guò)計(jì)算封堵體長(zhǎng)度為30.24 m。

4）根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279）9.8.8 條規(guī)定：“封堵體按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于3.0”的強(qiáng)制性條文要求：

式中 ∑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）；

∑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）；

λ——抗剪斷面積有效系數(shù)；

f——混凝土與巖石（或混凝土）的內(nèi)摩擦系數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算封堵體長(zhǎng)度為29.5 m。

綜合以上各種方法的計(jì)算結(jié)果，按抗沖壓剪切法及抗剪強(qiáng)度公式法計(jì)算的結(jié)果基本接近（L=29～32 m之間），由于本工程為Ⅰ等工程，導(dǎo)流洞堵頭工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，一旦出現(xiàn)損毀將會(huì)造成無(wú)法估量的損失，同時(shí)考慮堵頭施工過(guò)程中可能存在的灌漿效果不佳、接觸面處理清洗效果不好及混凝土收縮影響等因素，為確保一定的安全裕度，最終確定封堵體長(zhǎng)度取35 m。

2.4 灌漿廊道設(shè)計(jì)

封堵體后期需要進(jìn)行回填灌漿、接縫及固結(jié)灌漿，故封堵體內(nèi)還需要設(shè)計(jì)尺寸適宜的灌漿廊道，在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮了現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械型號(hào)、尺寸等因素，最終確定灌漿廊道采用3.5 m×3.5 m 城門洞型式，根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.8.10 條的規(guī)定：“當(dāng)封堵體內(nèi)設(shè)置灌漿廊道時(shí)，應(yīng)復(fù)核廊道前段實(shí)體封堵體的長(zhǎng)度”，采用抗剪強(qiáng)度公式對(duì)廊道前段實(shí)體封堵體的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，得到l≥4.21 m，考慮在不影響施工難度的基礎(chǔ)上預(yù)留足夠的安全裕度，本次按l=6 m 進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終確定的封堵體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 封堵體設(shè)計(jì)剖面圖

2.5 灌漿及溫控設(shè)計(jì)

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.1.1 條的強(qiáng)制性條文規(guī)定：“封堵體頂部與圍巖之間必須進(jìn)行回填灌漿”。本次設(shè)計(jì)對(duì)封堵體進(jìn)行回填灌漿、固結(jié)灌漿及接觸灌漿。灌漿壓力初步分別選取為0.2～0.3 MPa、0.8～1.2 MPa、0.6～0.8 MPa，實(shí)施過(guò)程中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整?？紤]到工作面的約束，為充分節(jié)省工作量、降低施工難度，本次設(shè)計(jì)采取3 類灌漿孔結(jié)合的方式，其中回填灌漿孔深入圍巖100 mm、固結(jié)灌漿以深入圍巖不少于5 m 控制、接觸灌漿孔深入圍巖300 mm；灌漿孔間排距2.5 m，呈梅花形布置。整個(gè)封堵體共布孔14排，設(shè)計(jì)灌漿鉆孔2 323 m，設(shè)計(jì)回填灌漿506 m2，設(shè)計(jì)固結(jié)灌漿2 738 m，設(shè)計(jì)接觸灌漿1 556 m2。

導(dǎo)流洞封堵體混凝土約4 830 m3，澆筑斷面大且采用通倉(cāng)澆筑的方式施工，考慮到大體積混凝土施工過(guò)程中溫度應(yīng)力的影響，本次設(shè)計(jì)運(yùn)用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行了封堵體在不同工況下的溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，綜合對(duì)比不同混凝土標(biāo)號(hào)、不同入倉(cāng)方案、是否通冷卻水管等因素，計(jì)算了以下幾種工況的封堵體溫度（計(jì)算參數(shù)選?。簼仓囟?4℃、隧洞內(nèi)環(huán)境溫度16℃，通水水溫12℃、通水天數(shù)14 天），結(jié)果表1 所示。

表1 不同工況下封堵體溫度計(jì)算表

由于封堵體工期節(jié)點(diǎn)要求，本次采用通倉(cāng)澆筑的方式，基礎(chǔ)允許溫差按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范不宜大于16℃。堵頭運(yùn)行期穩(wěn)定溫度低于大氣氣溫年平均溫度，通過(guò)計(jì)算為14.3℃，故最高溫度不宜大于30.3℃。通過(guò)表1的對(duì)比，最終確定采用工況4 的施工方案，即：封堵體大部分采用C20 混凝土三級(jí)配混凝土，分6 層澆筑（層高1.6～2.6 m），最后一層澆筑層采用C20 二級(jí)配混凝土。封堵體內(nèi)采取預(yù)埋冷卻水管通水降溫的溫控措施，自下而上共設(shè)置8 套冷卻水管系統(tǒng)（層間距1.5～2 m），同一套系統(tǒng)中冷卻水管采取蛇形布置，水平間距1 m。冷卻水管內(nèi)通水水溫與混凝土溫度之差應(yīng)不超過(guò)25℃。管中水的流速以0.6 m/s 為宜。水流方向應(yīng)24 h調(diào)換一次，每天降溫不超過(guò)1℃。見(jiàn)圖2。

圖2 工況4 封堵體溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

2.6 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)封堵體混凝土的溫度及收縮情況，更好地指導(dǎo)溫控措施及灌漿施工，封堵體共設(shè)置溫度計(jì)4 只，測(cè)縫計(jì)5 只。

3 結(jié) 語(yǔ)

導(dǎo)流洞封堵體能否順利實(shí)施，直接影響到水庫(kù)蓄水安全及工程的長(zhǎng)治久安，特別是對(duì)于涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程這類的大型工程，從設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量監(jiān)控等方面均要引起足夠的重視，目前涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程導(dǎo)流洞封堵體已順利經(jīng)過(guò)了三個(gè)汛期的考驗(yàn)，對(duì)封堵體位置、體型長(zhǎng)度、溫控灌漿等的設(shè)計(jì)方案，可以為類似的工程隧洞封堵提供一些參考。