貴州省安順市石朱橋水庫導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計(jì)

宋思諭，張 棟

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

石朱橋水庫位于貴州省安順市境內(nèi),水庫主要由混凝土面板壩、提水泵站、供水管道及下游灌區(qū)管線組成,最大壩高37.0 m,工程等別為Ⅲ等,工程規(guī)模為中型。水庫正常蓄水位為1284.00 m,校核洪水位1286.62 m,興利庫容693.00 萬m3,總庫容1264.00 萬m3。

2 導(dǎo)截流平面布置

本工程導(dǎo)流方式為全段圍堰法+隧洞導(dǎo)流形式。本工程為左岸導(dǎo)流隧洞,進(jìn)口段明渠+進(jìn)口閘門井長(zhǎng)度為56.32 m,出口段明渠長(zhǎng)度為40.65 m,洞身段長(zhǎng)約217.0 m,進(jìn)口底板高程為1255.90 m,出口高程為1254.70 m,橫斷面形式為城門洞型,尺寸為2.5 m×2.6 m（底×高）,底坡為0.45%[1]。

3 導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)流洞封堵標(biāo)準(zhǔn)

本課題涉及到的工程整體達(dá)到Ⅲ等中型規(guī)模,其中主要水工、次要水工以及導(dǎo)截流建筑物級(jí)別分別是三級(jí),四級(jí)和五級(jí),導(dǎo)流洞堵頭則屬于永久建筑物,直接與水庫連通形成封堵體,和擋水建筑物在設(shè)計(jì)級(jí)別、穩(wěn)定及防滲方面都是相同的,全部都屬于三級(jí)水工建筑物,其中選取的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)以及校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為50年、1000年。

3.2 堵頭段地質(zhì)條件

導(dǎo)流隧洞上覆山體厚度19 m～45 m,處于地下水位之下,分布T1d1 薄層灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r夾少量泥灰?guī)r及泥巖,受風(fēng)化影響巖體完整性較差,強(qiáng)度較低,為Ⅳ類圍巖,圍巖自穩(wěn)時(shí)間較短,易產(chǎn)生掉塊、變形破壞。建議圍巖參數(shù)K0=2 MPa/cm～4 MPa/cm,堅(jiān)固性系數(shù)f=3～4。工程所處范圍內(nèi)地震基本烈度達(dá)到Ⅵ度,反應(yīng)譜特征周期達(dá)到0.35 s,動(dòng)峰值加速度達(dá)到0.05 g,整個(gè)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)具有較好穩(wěn)定性。

3.3 堵頭段位置的確定

根據(jù)規(guī)范要求,如果導(dǎo)流隧洞軸線需要穿越擋水建筑物防滲帷幕的情況下,要求在防滲帷幕線上完成封堵體的設(shè)置,與壩基防滲帷幕連接成防滲系統(tǒng)。本工程導(dǎo)流洞軸線穿過帷幕灌漿線,但是隧洞后期通過“龍?zhí)ь^”銜接改造為永久取水放空洞,如果堵頭位置布置于帷幕灌漿軸線與導(dǎo)流洞相交位置,勢(shì)必會(huì)造成取水放空洞也被封堵上,從而失去取水放空洞的功能。結(jié)合工程樞紐結(jié)構(gòu)物布置,堵頭位置布置于導(dǎo)流隧洞與取水放空洞“龍?zhí)ь^”相交處,堵頭布置位置見圖2。

圖1 堵頭位置布置圖

3.4 堵頭型式的確定

堵頭比較常見的類型包括短釘形（鍵槽形）、拱形、截錐形（楔形）以及球殼型等。其中截錐形（楔形）堵頭再向洞壁圍巖傳動(dòng)壓力作用力是更加均勻,同時(shí)還具有更好的受力條件,但過流期流態(tài)不好；短釘形（鍵槽形）堵頭易于控制開挖,但應(yīng)力主要分布在釘頭位置,構(gòu)成不均勻受力；柱形堵頭只借助于巖壁圍巖的承受作用充分性不足,因此要求借助于摩擦作用力、本身重力和粘結(jié)力才可以維持穩(wěn)定性；填充拱形堵頭時(shí)只需要較少的材料,然而對(duì)于圍巖本身的承受作用和防滲漏提出更高要求,可用于圍巖堅(jiān)固、防滲性較好的地層。

3.5 堵頭長(zhǎng)度的計(jì)算

3.5.1 封堵體長(zhǎng)度計(jì)算工況

（1）正常工況：水庫內(nèi)蓄水使水位達(dá)到正常位置的情況下；

（2）偶然工況：水庫內(nèi)蓄水池水位達(dá)到校核洪水位的情況下；

（3）地震工況：水庫水位蓄至正常蓄水位時(shí),疊加地震效應(yīng)后,堵頭能正常運(yùn)行。本工程地震基本烈度為Ⅵ度,小于Ⅶ度,不再驗(yàn)算地震工況。

本工程正常蓄水位為1284.00 m,校核洪水位為1286.62 m,堵頭段最低底板高程為1255.50 m。

3.5.2 計(jì)算假定

對(duì)全市所有作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)能力評(píng)估和安全等級(jí)評(píng)估，不達(dá)標(biāo)的下發(fā)限期整改通知書，未達(dá)到整改要求的不予發(fā)放作業(yè)彈藥、不予請(qǐng)示空域。現(xiàn)在全市15個(gè)防雹作業(yè)點(diǎn)均達(dá)標(biāo)，并通過了公安、安監(jiān)和氣象部門的聯(lián)合驗(yàn)收。所有的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)點(diǎn)均安裝了可視化監(jiān)控系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，并為作業(yè)點(diǎn)建設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)裝備彈藥市、縣、作業(yè)點(diǎn)三級(jí)聯(lián)合監(jiān)管和公安、安監(jiān)等部門齊抓共管的局面，確保作業(yè)安全和裝備彈藥儲(chǔ)存安全。

（1）將圍巖以及堵頭看作為剛體,堵頭擋水運(yùn)行之后能夠向圍巖和混凝土或者不同混凝土相互接觸的表面均勻性地傳遞水壓力。

（2）假設(shè)堵頭圍巖中并不具有沿基巖內(nèi)部滑動(dòng)的軟弱結(jié)構(gòu)面。

（3）簡(jiǎn)單化堵頭為等斷面平堵頭,堵頭底板受平均推力,同時(shí)不考慮堵頭段頂拱與圍巖之間回填灌漿對(duì)堵頭體所產(chǎn)生的粘結(jié)作用,圓形斷面頂拱120°回填灌漿范圍不考慮,底面、側(cè)面按照周長(zhǎng)的1/3 計(jì)算。

（4）堵頭所受荷載主要有內(nèi)水壓力,滲透壓力,自重,圍巖壓力。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,相應(yīng)的地震基本烈度小于Ⅶ度,不考慮地震荷載。堵頭的安全條件為中間位置剪應(yīng)力的平均值大于巖石和混凝土之間的容許剪應(yīng)力。將封堵體視為靜水作用下的剛體,剪應(yīng)力沿周界均勻分布。

（5）計(jì)算過程中把封堵體楔形槽作為一種安全儲(chǔ)備,簡(jiǎn)化為柱形堵頭計(jì)算。

3.5.3 堵頭長(zhǎng)度計(jì)算方法

（1）根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定,堵頭的長(zhǎng)度和穩(wěn)定性,抗剪斷強(qiáng)度公式（安全系數(shù)法）：

式中：L 為堵頭長(zhǎng)度,m；K 為安全系數(shù): 取K=3.0；P 為水平壓力,P=ρghA,kN；S 為周長(zhǎng)；A 為堵頭橫截面面積,m2；γ為混凝土容重:γ=24 kN/m3；f'為混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù),f'取1.0；λ為抗剪斷面積有效系數(shù),取值區(qū)間為0.7～0.75,需要考慮到的因素包括無法更好地清洗處理接觸表面、頂部位置接觸不好、混凝土收縮產(chǎn)生干擾、縫隙灌漿效果不好等；C'為混凝土與巖石（或混凝土）接觸面的抗剪斷凝聚力。

（2）根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 279-2016）,堵頭的長(zhǎng)度和穩(wěn)定性,抗剪斷強(qiáng)度公式（安全系數(shù)法）：

①KS ≤R；②S=∑P；③R= f'∑W ＋C'∑λiAi

式中：R 為封堵體的承載力設(shè)計(jì)值；K 為安全系數(shù):取值為3.0；∑P 為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；S 為荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑W 為封堵體承受的全部荷載效應(yīng)對(duì)滑動(dòng)面的最大法向分值,向下為正,kN；f'為混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù),f'取1.0；C'為巖石和混凝土或不同混凝土相互接觸表面的抗剪斷凝聚力；Ai為封堵體側(cè)表面以及底面和混凝土或圍巖相結(jié)合的表面面積,不包括頂拱位置,m2；λi為封堵體側(cè)表面以及底面和混凝土或圍巖相結(jié)合的有效面積系數(shù),不包括頂拱位置:λ底=1.0,λ側(cè)=0.8。

由以上3 個(gè)公式變形后得到：

L ≥KP×1000/［f'Aγ+（C'bλ底+2C'hλ側(cè)）×1000］

式中：L 為堵頭長(zhǎng)度,m；K 為安全系數(shù): 取K=3.0；P 為水平壓力,P=ρghA,,kN；A 為堵頭橫截面面積；γ為混凝土容重:γ=24 kN/m3；f'為混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù),f'取1.0；b 為隧洞底寬,m；h 為隧洞直墻高,m；λ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):λ底=1.0,λ側(cè)=0.8；C'為混凝土與巖石（或混凝土）接觸面的抗剪斷凝聚力,C'取0.85 MPa。

（3）前述兩公式通過變形后是等價(jià)的。

得到：

L=KP/（Aγf'+SλC'）=KP×1000/［f'Aγ+（C'bλ底+2C'hλ側(cè)）×1000］

3.5.4 計(jì)算結(jié)果

水頭H=校核洪水位高程（H）－堵頭下游端底板高程（H底板）

經(jīng)計(jì)算,結(jié)果見表1、表2。

表1 導(dǎo)流洞堵頭水平壓力P 計(jì)算結(jié)果表

3.5.5 堵頭長(zhǎng)度的確定

本工程導(dǎo)流洞封堵體,布置于隧洞內(nèi),導(dǎo)流隧洞采用全斷面襯砌支護(hù),封堵體與隧洞襯砌搭接,搭接長(zhǎng)度應(yīng)不小于2.0 m。

通過上文計(jì)算得到,堵頭長(zhǎng)度L ≥1.10 ＋2.0=3.10 m 時(shí),可滿足大壩設(shè)計(jì)洪水位（正常蓄水位）、校核洪水位情況下的水頭作用,并考慮一定安全裕度,結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),導(dǎo)流洞堵頭長(zhǎng)度實(shí)際取為7.0 m。

3.5.6 堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

封堵體混凝土采用微膨脹混凝土。微膨脹混凝土可以儲(chǔ)備膨脹性能,使其具備微變形能,可以將對(duì)收縮進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪芰Τ浞职l(fā)揮出來；襯砌混凝土較強(qiáng)的約束可以使襯砌和堵頭混凝土兩者之間的連接長(zhǎng)度進(jìn)一步延長(zhǎng),從而提升兩種混凝土相接觸表面的抗剪強(qiáng)度。采用C20 微膨脹混凝土澆筑,可以取消堵頭與邊墻的接觸灌漿,但為保證堵頭與隧洞頂拱混凝土接觸緊密,堵頭頂拱作回填灌漿。在封堵體頂部預(yù)埋回填灌漿管,從下游端面引出,預(yù)埋管為φ50 PVC 管,縱向主管雙排布置,排距1.0 m,徑向支管雙孔布置,排距2.0 m。上下游端面布置環(huán)向止水密封。

封堵體楔形形狀為：正常洞斷面,長(zhǎng)度1.0 m,尺寸2.5 m×2.6 m（寬×高）,通過1∶2.5 的坡度漸變到最大洞截面,長(zhǎng)度1.0 m,尺寸3.3 m×3.4 m（寬×高）,接著由1∶7.5 的坡度漸變到正常洞截面,長(zhǎng)度3.0 m,尺寸2.5 m×2.6 m（寬×高）,最后延長(zhǎng)2.0 m。設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)語

導(dǎo)流洞封堵體設(shè)計(jì)受地質(zhì)條件、導(dǎo)流洞襯砌支護(hù)型式等的影響,為保證堵頭施工后的密封性,堵頭長(zhǎng)度的選定、填充材料的選用和回填灌漿的設(shè)計(jì)尤為重要。導(dǎo)流隧洞后期改建為取水放空洞,堵頭位置布置于導(dǎo)流洞與龍?zhí)ь^結(jié)合處是合適的。截止目前,石朱橋水庫導(dǎo)流隧洞堵頭已正常運(yùn)行5年,未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,為水庫的安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。