前坪水庫(kù)導(dǎo)流洞封堵體綜合設(shè)計(jì)

尚俊偉 楊子江 楊安邦

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

前坪水庫(kù)是一座是以防洪為主，結(jié)合灌溉、供水，兼顧發(fā)電的大型水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容為5.84 億m3。工程施工期間主要靠導(dǎo)流洞進(jìn)行導(dǎo)流，根據(jù)壩址區(qū)地形條件，導(dǎo)流洞布置于大壩右岸山體內(nèi)。導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置控制段，內(nèi)設(shè)平面鋼閘門?？刂贫蔚装屙敻叱?43.0m。洞身斷面為城門洞型，寬7.0m，高9.8m，其中直墻高7.2m，拱矢高2.6m，拱頂中心角146°。洞身總長(zhǎng)323.3m，呈直線布置，進(jìn)口底板頂高程343.0m，出口底板頂高程342.0m。洞身段位于弱風(fēng)化安山玢巖中，其飽和抗壓強(qiáng)度64.7MPa，巖體裂隙較發(fā)育，裂隙走向以北西向?yàn)橹鳎髁严蹲呦蚺c洞身段軸線夾角大于50°，巖體完整性差，圍巖類別為Ⅲ類。

導(dǎo)流洞在完成其導(dǎo)流任務(wù)后需進(jìn)行封堵，其能否順利實(shí)施是水庫(kù)蓄水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。前坪導(dǎo)流洞封堵標(biāo)準(zhǔn)采用非汛期100年一遇，經(jīng)調(diào)洪演算，導(dǎo)流洞封堵閘門水位為373.25m。根據(jù)施工進(jìn)度安排，封堵前壩體已填筑高程為423.5m，滿足導(dǎo)流洞封堵條件。

2 建筑物級(jí)別及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

導(dǎo)流洞封堵體為永久性擋水建筑物，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與大壩相同，為1 級(jí)建筑物。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，相應(yīng)庫(kù)區(qū)洪水位418.31m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5000年一遇，相應(yīng)庫(kù)區(qū)洪水位422.41m。

3 位置和體型選擇

為了保證水庫(kù)的整體防滲效果，導(dǎo)流洞封堵體的位置選擇在大壩防滲帷幕中心線與導(dǎo)流洞洞身相交處，建成后的封堵體與大壩防滲帷幕連成整體。為降低施工難度，縮短施工工期，保留原有一襯結(jié)構(gòu)（底板及邊墻圍巖設(shè)置鍵槽），將其表面鑿毛處理后直接在洞內(nèi)澆筑封堵體混凝土。

4 封堵體長(zhǎng)度確定

4.1 計(jì)算方法

4.1.1 抗滑穩(wěn)定理論法計(jì)算

該方法為《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）推薦方法，其具有概念清晰，受力明確的優(yōu)點(diǎn)，考慮了荷載、斷面尺寸、形狀以及圍巖與封堵體間的凝聚力、摩擦系數(shù)等諸多因素。公式如下：

式中：

K—按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

R—封堵體承載力設(shè)計(jì)值；

f '—混凝土與圍巖或者混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù)，該工程分別取0.8 和1.0；

C '—混凝土與圍巖或者混凝土與混凝土的抗剪斷粘聚力，kPa，該工程分別取值500 和1000；

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

λi—除頂拱部位外，封堵體底面、側(cè)面與圍巖或者混凝土接觸面的有效面積系數(shù)，該工程底面取值1.0，側(cè)面取值0.6。

4.1.2 圓柱面沖壓剪切計(jì)算方法

該方法為《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2002）推薦方法，主要是對(duì)封堵體底部及兩側(cè)進(jìn)行抗沖切計(jì)算，安全條件是周界上的平均剪應(yīng)力小于巖石與混凝土之間的容許剪切應(yīng)力，公式如下：

L ≥P / [τ] A

式中：

L—封堵體長(zhǎng)度，m；

P—迎水面總水壓力，MN；

[τ]—容許剪應(yīng)力，MPa，一般取值（0.2～0.3）；

A—封堵體剪切面周長(zhǎng)，m。

4.1.3 經(jīng)驗(yàn)公式法

該方法主要根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得來(lái)，以擋水水頭或者洞徑尺寸做參考，采用以下公式估算：

L=（3～5）H/100

或L ≥3D

式中：L—封堵體長(zhǎng)度，m；

H—擋水水頭，m；

D—封堵體洞徑，m。

4.2 計(jì)算結(jié)果

前兩種方法計(jì)算的封堵體長(zhǎng)度分別為19.62m 和24.26m，取計(jì)算大值，封堵體長(zhǎng)度按照25.0m 設(shè)計(jì)，亦滿足經(jīng)驗(yàn)公式法確定的經(jīng)驗(yàn)長(zhǎng)度。

5 封堵體設(shè)計(jì)

5.1 總體布置

封堵體施工前依靠導(dǎo)流洞控制段閘門下閘擋水，然后再進(jìn)行封堵體混凝土澆筑，且在混凝土內(nèi)預(yù)留固結(jié)灌漿管和回填灌漿、接縫灌漿系統(tǒng)。封堵體整體澆筑不留分縫，分兩個(gè)階段實(shí)施，第一階段將原襯砌混凝土表面鑿毛100mm 后直接澆筑一期封堵體混凝土，一期封堵體前段為實(shí)體混凝土，長(zhǎng)4m，后段長(zhǎng)21m，內(nèi)設(shè)2.5m×3.0m 的灌漿廊道，分層施工并設(shè)置冷卻水管。封堵體混凝土達(dá)到穩(wěn)定溫度且強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后進(jìn)行回填灌漿和接縫灌漿，回填灌漿結(jié)束7d 后，按照逐步加密的原則進(jìn)行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿結(jié)束后采用微膨脹混凝土對(duì)灌漿廊道進(jìn)行回填。全部封堵體施工完成后，利用導(dǎo)流洞進(jìn)口控制段預(yù)留管進(jìn)行注水排氣。

5.2 細(xì)部設(shè)計(jì)

5.2.1 錨筋設(shè)計(jì)

為了增加封堵體新老混凝土之間的連接，根據(jù)一襯厚度以及連接要求，將一襯表面鑿毛處理后，植入直徑φ=28mm 鋼筋，總長(zhǎng)度1.65m（伸入一襯0.65m）；錨筋按照間距2.0m×2.0m 布置，遇到圍巖系統(tǒng)錨桿可適當(dāng)調(diào)整位置錯(cuò)開布置。

5.2.2 排水設(shè)計(jì)

考慮下閘擋水后，存在閘門漏水的可能，而封堵體位于隧洞中段，需考慮施工期間擋水、排水措施保證正常施工。設(shè)計(jì)在封堵體前部設(shè)置一道2m高簡(jiǎn)易混凝土圍堰，同時(shí)在圍堰和封堵體下部預(yù)埋一根帶閘閥的DN300 排水管，可以將施工期閘門漏水引排至下游，保證封堵體正常施工。另外為了保證正常擋水期封堵體不漏水，在封堵體廊道澆筑前將排水管采用水泥漿封堵。

5.2.3 灌漿設(shè)計(jì)

封堵體灌漿根據(jù)其作用主要分為固結(jié)灌漿、回填灌漿和分縫灌漿，在混凝土澆筑時(shí)預(yù)留相應(yīng)的灌漿系統(tǒng)，并在上下游斷面處設(shè)置止?jié){片，防止?jié){液外流。

封堵體澆筑后，隨著混凝土熱量的釋放，其溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定值，封堵體混凝土的收縮容易在拱頂位置以及新老混凝土接觸面上產(chǎn)生空隙，需要對(duì)這些部位進(jìn)行回填或者接縫灌漿，增加其整體性。設(shè)計(jì)時(shí)在拱頂部位以及新老混凝土接觸面預(yù)留直徑φ=50mm 灌漿主管、直徑φ=32mm 支管以及排氣管，該工程待混凝土溫度達(dá)到穩(wěn)定溫度14℃時(shí)且混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后進(jìn)行回填和接縫灌漿。特別需要指出的是預(yù)留排氣管的必要性，排氣孔可以在灌漿過(guò)程中將空隙中的空氣排出，使得灌漿密實(shí)，另外為了保證實(shí)施過(guò)程中灌漿管的通暢，頂拱灌漿管均設(shè)置了一套備用管，灌漿壓力一般采用0.3～0.5MPa，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整。

回填和接縫灌漿結(jié)束7d 后，可以利用混凝土中預(yù)留φ=50mmPVC 固結(jié)灌漿管，在封堵體廊道中對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿深度為入巖不小于5m，間距30°，排距3m，灌漿壓力一般1.0～1.2MPa。灌漿結(jié)束后，采用微膨脹混凝土對(duì)廊道進(jìn)行封堵。

5.2.4 排氣設(shè)計(jì)

由于閘門至封堵體之間有約150m 的洞體，為了防止封堵后閘門進(jìn)水時(shí)洞內(nèi)發(fā)生氣爆，設(shè)計(jì)在閘門控制段預(yù)留6 根直徑φ=100mmPVC 管，其中三根排氣管管口高程高于校核洪水位，另外三根進(jìn)水管管口高程控制在373.25m，利用其注水排氣，將洞內(nèi)壓縮空氣排出。

封堵體屬于大體積混凝土，澆筑過(guò)程應(yīng)避免或者減少溫度裂縫產(chǎn)生，消除封堵體擋水過(guò)程中的漏水隱患。為充分了解封堵體的工作情況，在容易產(chǎn)生裂縫的新老混凝土結(jié)合面上選擇典型斷面布置8支滲壓計(jì)和8 支測(cè)縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做好資料記錄和分析，為工程安全運(yùn)行提供判斷依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)流洞封堵體作為水庫(kù)蓄水的關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，同時(shí)考慮施工難度，選擇合適的體型、計(jì)算邊界條件和參數(shù)，優(yōu)化布置型式。實(shí)施過(guò)程要重視灌漿設(shè)計(jì)和溫度控制，減少封堵體裂縫的發(fā)生，避免運(yùn)行期漏水。另外還要結(jié)合原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)封堵體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，保證工程運(yùn)行安全■