翁養(yǎng)水庫導(dǎo)流洞封堵設(shè)計(jì)研究

劉 路

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

1 引言

我國(guó)已建成的水庫大壩為世界最多，其中小型水庫數(shù)量占比為95%，小型水利工程對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了非常重要的作用。導(dǎo)流洞封堵體作為永久性建筑物，其級(jí)別與擋水建筑物一致。傳統(tǒng)的導(dǎo)流洞封堵技術(shù)方法，主要是在導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置臨時(shí)封堵閘門，創(chuàng)造干地施工條件，然后進(jìn)行封堵體的施工。在封堵體施工期間，河道斷流，造成下游河水補(bǔ)給來源不足，容易導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。導(dǎo)流洞封堵蓄水期的下游河道脫水?dāng)嗔?，已成為水利工程建設(shè)中備受關(guān)注的問題。

翁養(yǎng)水庫工程位于貴州省黔東南州雷山縣西江鎮(zhèn)腳堯村，所在河流烏堯河為長(zhǎng)江流域沅江水系清水江三級(jí)支流，水庫總庫容78.8 萬m3，工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模屬?。?）型。水庫擋水建筑物、泄水建筑物等永久性主要建筑物為5級(jí)，輸水建筑物為4 級(jí)，次要建筑物為5 級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。通過對(duì)翁養(yǎng)水庫進(jìn)行綜合分析，提出了一種封堵體內(nèi)部埋設(shè)導(dǎo)流管的封堵方案，既能保證封堵體永久穩(wěn)定，又能滿足施工期間生態(tài)流量下放要求，該方案簡(jiǎn)單實(shí)用、經(jīng)濟(jì)合理，可為類似小型工程的導(dǎo)流洞封堵提供參考。

2 導(dǎo)流洞概況

根據(jù)翁養(yǎng)水庫工程總體布置，導(dǎo)流洞位于大壩右岸，洞長(zhǎng)150 m，隧洞縱坡為3.98%，導(dǎo)流洞采用城門洞型，斷面尺寸為3.0 m×3.25 m（寬×高）。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用5 年一遇（P=20%）枯水期（11 月～次年4 月）洪水，相應(yīng)洪峰流量26.1 m3/s。導(dǎo)流洞進(jìn)出口處為Ⅳ類圍巖，巖體的穩(wěn)定性較差，易塌方，開挖后初期支護(hù)采用噴10 cm混凝土和長(zhǎng)度2.5 mφ22間距2.0 m系統(tǒng)錨桿支護(hù)；洞身段為Ⅲ類圍巖，初期支護(hù)采用噴10 cm厚混凝土防護(hù)設(shè)計(jì)，二期采用全斷面襯砌，襯砌厚度為40 cm。

3 封堵體設(shè)計(jì)

3.1 封堵體方案布置

導(dǎo)流隧洞若不兼有其他功能，則需要進(jìn)行永久封堵，即在隧洞內(nèi)澆筑一定長(zhǎng)度的混凝土堵頭，封堵體的常見型式有瓶塞形、短釘形、拱形、柱形等[1]。翁養(yǎng)水庫導(dǎo)流洞最大設(shè)計(jì)水頭約30 m，設(shè)計(jì)水頭相對(duì)較小，因此選用形式較簡(jiǎn)單、施工較方便的柱形體型。

根據(jù)翁養(yǎng)水庫施工進(jìn)度計(jì)劃安排，導(dǎo)流洞封堵時(shí)段選定在12月上旬，洪水標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇（P=20%）的12月平均流量，相應(yīng)流量為Q=0.05 m3/s。河道生態(tài)流量按壩址多年平均流量的10%，即0.019 m3/s。為了滿足導(dǎo)流洞封堵期間泄放河道生態(tài)流量的要求，同時(shí)考慮到封堵時(shí)段洪水流量較小，本工程采用導(dǎo)流管引流+柱形混凝土封堵體的方式。

此封堵方案有以下特點(diǎn)：

1）不需要在進(jìn)口設(shè)置臨時(shí)封堵閘門，節(jié)約投資；

2）封堵體柱形斷面開挖方便，施工簡(jiǎn)單，能縮短工期；

3）導(dǎo)流管既能在封堵期間下泄洪水，又能保證河道不斷流，滿足生態(tài)流量要求。

翁養(yǎng)水庫導(dǎo)流洞永久封堵體布置形式見圖1，封堵體位置設(shè)置于大壩防滲帷幕線上，封堵體布置樁號(hào)范圍為D0+049.560～D0+058.560，封堵體總長(zhǎng)度為9.00 m。隧洞襯砌采用40 cm厚的C25 鋼筋混凝土，采用雙層配筋。在襯砌四周布置固結(jié)灌漿孔，入巖5.0 m，間排距3.0 m，梅花形布置。封堵體采用常態(tài)C25 混凝土，在隧洞C25 鋼筋砼襯砌與封堵體C25 砼之間布置接縫灌漿系統(tǒng)。

圖1 導(dǎo)流洞封堵布置圖

導(dǎo)流洞封堵體分兩期施工，一期施工長(zhǎng)度3.00 m，二期施工長(zhǎng)度6.00 m。一期封堵體施工時(shí)，上游采用袋裝黏土圍堰臨時(shí)擋水，封堵體內(nèi)埋設(shè)DN200 導(dǎo)流管下泄洪水，導(dǎo)流管同時(shí)兼具下放生態(tài)流量的功能。一期封堵體混凝土達(dá)到28 天齡期后，開始控制導(dǎo)流管出口閥門來進(jìn)行初期蓄水，在滿足生態(tài)泄流量的同時(shí)逐漸關(guān)小閥門，當(dāng)庫區(qū)水位上升至大壩放水底孔高程時(shí)，徹底關(guān)閉導(dǎo)流管閥門，生態(tài)流量通過大壩放水底孔進(jìn)行下放，然后開始二期封堵體施工。

3.2 導(dǎo)流管過流能力計(jì)算

導(dǎo)流洞封堵采用袋裝黏土圍堰臨時(shí)擋水+埋設(shè)DN200導(dǎo)流管臨時(shí)導(dǎo)流的方式，導(dǎo)流管過流能力按有壓管泄流公式[2]，如下：

式中：Q為管道下泄流量，m3/s； 為流量系數(shù)；T0為管道出口底板以上總水頭；w為管道出口斷面面積； hp為管道出口斷面水流的平均單位勢(shì)能。

根據(jù)來洪水量和生態(tài)泄量要求，初擬了3種管徑，導(dǎo)流管對(duì)比情況見表1。

表1 導(dǎo)流管管徑比選表

由表1知，導(dǎo)流管進(jìn)口水面高程0.7 m時(shí)，方案一泄流能力太低，方案二和方案三泄流能力均大于12 月平均洪水流量0.05 m3/s，也大于生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)0.019 m3/s。但方案二管徑比方案三小，導(dǎo)流管造價(jià)更低，故推薦導(dǎo)流管管直徑為0.2 m。對(duì)于臨時(shí)袋裝黏土圍堰，考慮0.5 m的安全超高和0.3 m的波浪爬高后，圍堰高度確定為1.5 m。

3.3 永久封堵體長(zhǎng)度計(jì)算

導(dǎo)流隧洞永久封堵體的最小長(zhǎng)度按以下三種方法綜合確定。

（1）經(jīng)驗(yàn)公式

有壓隧洞封堵體長(zhǎng)度按照混凝土封堵洞徑或洞寬的3 倍以上確定[1]。翁養(yǎng)水庫導(dǎo)流洞為城門洞型，洞寬3 m，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，封堵體最小長(zhǎng)度取為9 m。

（2）沖壓剪切公式法

根據(jù)剛體極限平衡理論，在低水頭情況下可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[1]：

式中：L為封堵體長(zhǎng)度，m；P為封堵體迎水面總壓力，計(jì)算得3804.67 kN；[τ]為容許剪應(yīng)力，取0.2 MPa；A為封堵體剪切面周長(zhǎng)，計(jì)算得4.59 m。

經(jīng)此公式計(jì)算，校核工況下，封堵體最小長(zhǎng)度取為5.39 m。

（3）抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定公式

此法為《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）推薦方法：

式中：L為封堵體長(zhǎng)度，m；K為安全系數(shù)，校核工況取3.0；P為封堵體迎水面總壓力（計(jì)算得3804.67 kN）；A為封堵體與圍巖接觸面面積，（單延米長(zhǎng)計(jì)算得4.59 m2）；f'為混凝土與巖石的摩擦系數(shù)：0.5；C'為混凝土與巖石的凝聚力：0.3 MPa。

經(jīng)此公式計(jì)算，校核工況下，封堵體最小長(zhǎng)度取為7.61 m。

通過以上三種方法的計(jì)算，永久封堵體最小長(zhǎng)度取值范圍為5.39 m～9.0 m。參考已建的類似工程，考慮安全富余、施工條件和其他異常情況，導(dǎo)流洞永久封堵體實(shí)際長(zhǎng)度確定為9.0 m。

4 施工方案

4.1 施工流程

導(dǎo)流洞封堵主要施工流程為：①袋裝土石圍堰填筑；②導(dǎo)流管埋設(shè)；③導(dǎo)流洞襯砌施工；④圍巖固結(jié)灌漿；⑤一期封堵體施工；⑥導(dǎo)流管閥門關(guān)閉；⑦二期封堵體施工；⑧回填灌漿和接縫灌漿。

4.2 導(dǎo)流洞襯砌施工方案

導(dǎo)流洞襯砌段長(zhǎng)9.0 m，分兩期施工，一期施工長(zhǎng)度3.0 m，二期施工長(zhǎng)度6.0 m。采用全斷面襯砌，襯砌厚度40 cm。襯砌段采用長(zhǎng)度3.0 mφ25 系統(tǒng)錨桿，外露0.15 m，間排距1.5 m，梅花形布置。導(dǎo)流洞襯砌段在頂拱60°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，間距3.0 m。固結(jié)灌漿采用梅花形布置，入巖5.0 m，間排距3 m。

錨桿鉆孔采用手風(fēng)鉆直接進(jìn)行施工。頂拱、兩邊墻錨桿施工前先搭設(shè)鋼管腳手架，在腳手架上設(shè)工作平臺(tái)。鉆設(shè)成孔后采用高壓風(fēng)進(jìn)行沖洗，將孔內(nèi)巖粉、碎屑徹底沖出孔外。錨桿安裝采取先注漿后插錨桿的方式進(jìn)行。

襯砌使用的混凝土應(yīng)選用經(jīng)過檢驗(yàn)合格的材料配制，每次入倉鋪筑的混凝土層厚度控制在30 cm～50 cm。采用人工進(jìn)行平倉，振搗利用插入式振搗器及插釬完成。

回填灌漿鉆孔采用手風(fēng)鉆鉆孔，孔徑50 mm，要求鉆孔入巖10 cm，在混凝土澆筑時(shí)預(yù)埋回填灌漿管?；靥罟酀{采用純壓式灌漿法，分為兩個(gè)次序進(jìn)行，自較低的一端開始，向較高的一端推進(jìn)?；靥罟酀{漿液水灰比控制在0.5∶1，灌漿壓力控制在0.4 MPa。

固結(jié)灌漿鉆孔采用鑿巖鉆機(jī)進(jìn)行造孔，灌漿孔鉆孔結(jié)束后，應(yīng)使用壓縮空氣沖凈孔內(nèi)的巖粉、泥渣。固結(jié)灌漿采用純壓式灌漿法，固結(jié)灌漿壓力為：入基巖2.0 m范圍內(nèi)控制在0.5 MPa，2.0 m范圍以后控制在0.8 MPa。

4.3 永久封堵體施工方案

永久封堵體長(zhǎng)9.0 m，采用C20 W6 F100混凝土，分兩期施工，一期施工長(zhǎng)度3.0 m，二期施工長(zhǎng)度6.0 m。在隧洞C25鋼筋砼襯砌與封堵體C25砼之間布置接縫灌漿系統(tǒng)，分別在頂部、左右邊墻中部布置一根灌漿管路。

接縫灌漿管采用φ1.5 PVC管，每隔2.8 m留設(shè)出漿盒，出漿盒采用三通管與進(jìn)漿管鏈接，并按設(shè)計(jì)方位固定牢靠，灌漿前出漿口用牛皮紙綁扎封號(hào)。在封堵混凝土澆筑前采用砂漿沿圍巖管壁四周進(jìn)行封閉（防止管路堵塞）。接縫灌漿壓力采用0.4 MPa。

封堵體澆筑前，應(yīng)將接觸面進(jìn)行鑿毛并清洗干凈。封堵體混凝土澆筑分二層（倉）澆筑，封堵段凈空高度為2.35 m，第一層澆筑高度為1.5 m，第二層澆筑完成頂拱處0.85 m范圍混凝土?；炷敛捎帽盟腿雮}，使用振搗器搗實(shí)密實(shí)。

5 結(jié)語

導(dǎo)流洞封堵是水庫蓄水的必要條件，應(yīng)在綜合考慮施工方案、生態(tài)流量、工程投資等因素的前提下，研究確定導(dǎo)流洞最適合的封堵方式。翁養(yǎng)水庫為?。?）型，考慮到本工程規(guī)模較小、封堵時(shí)段洪水流量較小的特點(diǎn)，故采用了導(dǎo)流管引流+柱形混凝土封堵體的方式。導(dǎo)流洞封堵體分兩期施工，既降低了導(dǎo)流封堵的施工難度，保證了封堵體永久穩(wěn)定，又能滿足施工期間生態(tài)流量下放的要求，從而達(dá)到了安全、經(jīng)濟(jì)、合理的目標(biāo)。本工程導(dǎo)流洞封堵方案簡(jiǎn)單實(shí)用、經(jīng)濟(jì)合理，可為類似小型工程的導(dǎo)流洞封堵提供參考。