曉龍溝水庫工程導(dǎo)流洞改建及封堵設(shè)計(jì)

阿懷瑾，楊振平，常亮

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

曉龍溝水庫工程位于青海省囊謙縣境內(nèi)的扎曲（瀾滄江正源）右岸一級支流香曲河上，壩址區(qū)下游為囊謙縣城香達(dá)鎮(zhèn)。該工程的主要任務(wù)是向香達(dá)鎮(zhèn)提供人飲、牲畜用水，并對香達(dá)鎮(zhèn)周邊820.5 hm2灌區(qū)提供灌溉用水。水庫死水位3 939.0 m，正常蓄水位3 953.5 m，設(shè)計(jì)洪水位3 954.6 m，校核洪水位3 955.1 m，死庫容29.1 萬m3，興利庫容169.7 萬m3，總庫容226.5 萬m3，為Ⅳ等?。?）型工程，大壩等主要建筑物大壩為4 級，次要建筑物為5 級。建筑物主要由堆石混凝土重力擋水壩、溢流壩、放空洞、取水管等建筑物組成。堆石混凝土重力壩最大壩高44.00 m，壩頂高程3 957.0 m，壩頂寬8.00 m，壩頂長度約為117.00 m。

2 導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)及改建

2.1 導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)

曉龍溝水庫工程導(dǎo)流洞布置于左岸，由進(jìn)口明渠段、進(jìn)水塔段、曲線段（改建段）、洞身段和出口段組成。導(dǎo)流建筑物級別為5 級，導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇，洪水重現(xiàn)期流量Q10%=31.6 m3/s，導(dǎo)流流量較小，導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)為明流，進(jìn)口底板高程3 927.0 m，洞身段為城門洞型，斷面尺寸（襯砌后）為2.00 m×2.80 m，設(shè)計(jì)縱坡3.35%，全長229.70 m。

進(jìn)口明渠段底部高程3 927.0 m，底寬3.00 m，長40.00 m，兩側(cè)邊坡1∶1.25，采用砂漿錨桿（?25、L=4.50 m）支護(hù)，錨桿間排距2.50 m，0.20 m 厚鋼筋混凝土襯砌。

進(jìn)水塔段底板高程3 927.0 m，長14.00 m，采用岸塔式進(jìn)水口，進(jìn)水塔底部預(yù)留導(dǎo)流洞進(jìn)水口，孔口尺寸為2.00 m×2.80 m，后期封堵，底板厚1.00 m；上部預(yù)留放空洞進(jìn)水口，布置平板檢修閘門和工作門各1扇，孔口尺寸分別為1.50 m×2.00 m 和1.50 m×1.50 m，進(jìn)口底板高程為3 934.8 m。曲線段（改建段）長25.80 m，底部為導(dǎo)流洞，縱坡3.35%。洞身段長132.93 m，縱坡3.35%，采用城門洞型斷面，襯砌厚度為40 cm，襯砌后斷面尺寸為2.00 m×2.80 m（凈寬×凈高）；每9.00 m 設(shè)置1 道伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)651 型橡膠止水帶，并填充瀝青杉板；隧洞洞頂采用噴錨（?25、L=3.00 m）臨時(shí)支護(hù)；隧洞襯砌后頂拱進(jìn)行回填灌漿。為減少出口段開挖量，降低工程投資，采用挑流消能，總長11.50 m，挑坎頂高程3 922.6 m，挑角23°，反弧半徑17.00 m。

2.2 導(dǎo)流洞改建

導(dǎo)流洞改建主要為導(dǎo)流底孔封堵及放空洞曲線段（改建段）“龍?zhí)ь^”改建。下閘蓄水后，曲線段（改建段）底部導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵，上部改建為永久放空洞。

導(dǎo)流洞封堵采用平板鋼閘門+混凝土堵頭。平板鋼閘門寬2.00 m、高2.80 m、厚0.40 m，封堵閘門下閘后向上游拋填泥巖石渣，封堵混凝土采用C25W6F250 低熱微膨脹，封堵長度為25.85 m，分兩段，第一段長11.85 m（進(jìn)水塔導(dǎo)流底孔），第二段長14.00 m（曲線段），設(shè)置1 道銅止水、3 道橡膠止水，兩段封堵體及“龍?zhí)ь^”改建段之間設(shè)置鍵槽并預(yù)埋?25 錨筋，封堵混凝土澆筑前第二封堵體進(jìn)行固結(jié)灌漿，混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上后進(jìn)行回填灌漿、接觸灌漿及結(jié)構(gòu)縫接縫灌漿。

導(dǎo)流洞改建，曲線段前段采用拋物線與進(jìn)水塔放空洞進(jìn)水口工作閘門底板相連，后段采用反弧連接，半徑15.6 m。曉龍溝水庫導(dǎo)流洞封堵及曲線段改建設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1 導(dǎo)流洞曲線段（改建段）布置圖（單位：m）

3 造價(jià)分析

曉龍溝水庫壩址處河谷較寬，右岸為高階地，根據(jù)壩址處工程地質(zhì)條件、水文特性，結(jié)合樞紐布置特點(diǎn)，經(jīng)綜合分析，采用圍堰一次攔斷河床的導(dǎo)流方式。擬定3 種導(dǎo)流方案進(jìn)行比較：方案一為右岸岸坡埋設(shè)導(dǎo)流涵管泄流的方式；方案二為左岸導(dǎo)流隧洞與水庫永久放空洞結(jié)合的方式；方案三為右岸臨時(shí)導(dǎo)流隧洞泄流的方式。方案一、方案三放空建筑物為左岸永久放空洞，3 種方案造價(jià)對比情況見表1。

因該工程位于三江源自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，考慮環(huán)保要求，臨時(shí)工程拆除及開挖棄料均需要運(yùn)輸至保護(hù)區(qū)外，運(yùn)距約41 km，導(dǎo)致導(dǎo)流工程中擋水部分（施工圍堰拆除）及土石方開挖工程造價(jià)偏高。從導(dǎo)流工程及放空工程總造價(jià)來看，方案二最低，且方案二中臨時(shí)工程造價(jià)占比最小，由此可見，導(dǎo)流洞與放空洞結(jié)合，前期導(dǎo)流、后期改建為放空洞是經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的。

4 導(dǎo)流洞封堵體長度復(fù)核

曉龍溝水庫永久放空洞為4 級建筑物，封堵體為永久工程，按4 級建筑物設(shè)計(jì)。第一封堵體為矩形柱，第二封堵體為不規(guī)則的楔形體，計(jì)算中按第一封堵體等斷面導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵體長度計(jì)算，復(fù)核其安全穩(wěn)定性[1]。水工隧洞封堵體長度主要有4 種計(jì)算方法：經(jīng)驗(yàn)公式法包括按封堵洞徑或洞寬的倍數(shù)（3 倍以上）、挪威公式法；抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算法；等斷面沖壓剪切原則；有限元分析法。此次設(shè)計(jì)采用前3 種方法進(jìn)行復(fù)核。

1）經(jīng)驗(yàn)公式法

①有壓隧洞封堵體長度按混凝土封堵洞徑或洞寬的3 倍以上確定[2]。

②挪威公式法按下式計(jì)算：式中：L為封堵體長度，m；H為設(shè)計(jì)水頭，m。

2）抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算法

抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算法按下式計(jì)算：

式中：K為按抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；S為荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值，kN；R為封堵體承載力設(shè)計(jì)值，kN；∑P為封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對滑動面的最大切向分值，kN；f′為混凝土與圍巖或混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù)；∑W為封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對滑動面的最大法向分值，kN；c′為混凝土與圍巖或混凝土與混凝土的抗剪斷凝聚力，kPa；λi為除頂拱部位外，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λ=1，側(cè)面λ=0[2]；Ai為除頂拱部位外，封堵體底面、側(cè)面與圍巖或混凝土接觸面的面積，m2。

3）等斷面沖壓剪切原則

式中：p為封堵體承受的總水壓，MN；[]τ為容許剪應(yīng)力，取0.2 MPa；A為封堵體剪切面周長，m。

設(shè)計(jì)計(jì)算水頭取水庫最高水位對應(yīng)的最大水頭，校核洪水位為3 955.10 m，最大設(shè)計(jì)水頭為28.10 m。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 導(dǎo)流洞封堵體長度復(fù)核結(jié)果 m

根據(jù)表2 計(jì)算結(jié)果可知，導(dǎo)流洞封堵體長度按等斷面計(jì)算，長度大于6.90 m 即可，該工程堵體總長為25.85 m，滿足封堵體抗滑穩(wěn)定要求。

5 封堵體灌漿設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞封堵施工流程：封堵段原襯砌混凝土鑿毛→第二封堵體固結(jié)灌漿→封堵體混凝土澆筑→回填灌漿→接觸灌漿→第二封堵體與放空洞改建反弧段接觸面進(jìn)行接縫灌漿。

5.1 固結(jié)灌漿

導(dǎo)流洞封堵施工前，在第二封堵段側(cè)墻及底板范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，排距2.00 m，每周6 孔，入巖3.00 m，設(shè)計(jì)灌漿壓力0.8 MPa，具體壓力應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)確定，盡可能采用大壓力值[2]。

5.2 回填灌漿

導(dǎo)流洞封堵混凝土達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行封堵體頂部范圍內(nèi)的回填灌漿，可分為兩個(gè)次序，灌漿壓力為0.3～0.5 MPa，采用純壓式灌漿。

5.3 接觸灌漿及接縫灌漿

導(dǎo)流洞封堵混凝土澆筑施工結(jié)束28 d 后，在封堵體邊墻、頂部進(jìn)行接觸灌漿，第二封堵體與放空洞改建反弧段的接觸面進(jìn)行接縫灌漿，接縫及接觸灌漿設(shè)計(jì)灌漿壓力為0.3 MPa。

6 結(jié)語

導(dǎo)流洞封堵體作為水庫工程的重要永久性建筑物，它的施工質(zhì)量及運(yùn)行安全直接影響水庫的穩(wěn)定運(yùn)行及蓄水安全，曉龍溝水庫所在河道多年平均流量僅為0.727 m3/s，來水量小、需水量大，若封堵體及止水施工質(zhì)量不到位，將嚴(yán)重影響水庫蓄水安全及功能的發(fā)揮。曉龍溝水庫導(dǎo)流洞封堵、改建于下閘蓄水后與水庫蓄水同時(shí)進(jìn)行，在封堵體施工后期，進(jìn)口已有一定的水頭，存在一定的安全問題，所以將封堵施工安排在枯水期進(jìn)行，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量、安全意識，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行施工，并保證施工質(zhì)量，確保按期完工。曉龍溝水庫導(dǎo)流洞的封堵、改建大大減少了臨時(shí)工程造價(jià)在導(dǎo)流工程及放空洞工程總造價(jià)中的占比，節(jié)約了工程投資。