大型水電站導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性分析

谷明強(qiáng)

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司三峽分公司，湖北 宜昌 443002）

導(dǎo)流洞是大多山區(qū)狹窄河流水電站樞紐工程施工的主要導(dǎo)流方式，隨著我國(guó)水電站建設(shè)的發(fā)展，導(dǎo)流洞的規(guī)模不斷刷新，渡汛標(biāo)準(zhǔn)和下閘后的擋水水頭越來(lái)越高，對(duì)導(dǎo)流洞堵頭的要求也越來(lái)越高。導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)對(duì)各種因素考慮是否周全，不僅影響導(dǎo)流工程的投資，而且與工程的建設(shè)安全、施工進(jìn)度和投產(chǎn)發(fā)電等都息息相關(guān)。導(dǎo)流洞雖然是臨時(shí)建筑物，但對(duì)其進(jìn)口的體形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亦應(yīng)認(rèn)真對(duì)待，更應(yīng)該理解導(dǎo)流洞堵頭的重要性，保障其穩(wěn)定性，保障大型水電站的順利施工。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已建和在建大型工程的調(diào)查，大型導(dǎo)流洞在開(kāi)挖支護(hù)施工過(guò)程中，多數(shù)曾發(fā)生規(guī)模不等的塌方或工程事故，有些水電站由于地質(zhì)條件和不合理開(kāi)挖支護(hù)等原因，出現(xiàn)了特大型塌方事件，造成重大損失。導(dǎo)流洞的施工期、運(yùn)行期到下閘后堵頭完成前的安全對(duì)整個(gè)工程的安全影響較大。導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)具有特殊性，設(shè)計(jì)施工中必須全面做好工作。

導(dǎo)流隧洞在任何一個(gè)工程中導(dǎo)流洞堵頭施工后，都會(huì)用永久性混凝土進(jìn)行封堵，在運(yùn)行過(guò)程中堵頭會(huì)同周?chē)鷰r石或混凝土連成整體，共同承擔(dān)由作用水頭產(chǎn)生的水壓力。導(dǎo)流洞堵頭的封堵作為工程中永久性建筑物，雖然堵頭的工程量相對(duì)較小，但作為水庫(kù)蓄水的主要控制條件之一，對(duì)工程的安全運(yùn)行有著極其重要的作用，封堵工作是否能夠順利、及時(shí)地完成，對(duì)整個(gè)后期的工程進(jìn)度有著極其重要的意義。所以，對(duì)大型水電站更應(yīng)該做好導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性工作。

對(duì)導(dǎo)流洞堵頭的設(shè)計(jì)工作是關(guān)鍵，但堵頭的位置及施工時(shí)限更應(yīng)該認(rèn)真的去分析和研究，尤其是堵頭位置設(shè)計(jì)是施工的基礎(chǔ)。堵頭位置一般是根據(jù)導(dǎo)流洞開(kāi)挖后揭示的地質(zhì)情況選擇在地質(zhì)較好的洞段，而忽略了其它地質(zhì)構(gòu)造的影響。例如，如果在堵頭與帷幕間有漏水通道，就會(huì)造成堵頭后有承壓水出現(xiàn)。所以，導(dǎo)流洞的堵頭不宜設(shè)在庫(kù)內(nèi)，最好設(shè)在壩軸線處，避免壩軸線與堵頭間有未探明的地質(zhì)構(gòu)造，使庫(kù)水繞過(guò)堵頭漏入下游，以便萬(wàn)一存在未探明的漏水通道也可以通過(guò)加深帷幕或延長(zhǎng)帷幕線進(jìn)行補(bǔ)救。導(dǎo)流洞的封堵閘門(mén)關(guān)閉后，堵頭的施工時(shí)限往往被忽視。下閘后忙于慶功，不能及時(shí)施工，往往忽視了可能存在的潛在危險(xiǎn)。水東水電站就是一個(gè)很大的教訓(xùn)，從下閘到出現(xiàn)事故有15天時(shí)間，若在下閘前做好充分準(zhǔn)備，盡快完成第一段堵頭施工，就可避免推遲第一臺(tái)機(jī)組的發(fā)電時(shí)間。

堵頭長(zhǎng)度作為導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計(jì)的核心,一般而言,堵頭承受的基本荷載有內(nèi)水壓力、滲透壓力、自重、地震荷載以及周邊的圍巖壓力的等。導(dǎo)流洞堵頭的長(zhǎng)度是通過(guò)計(jì)算確定的，其長(zhǎng)度一般都在三倍洞徑(或洞高)左右，但也要精密的計(jì)算。雖然有限元法在工程界得到廣泛的使用，但導(dǎo)流隧洞封堵堵頭長(zhǎng)度的確定，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式。堵頭施工大多數(shù)分兩段，在不增大堵頭投資的前提下，對(duì)堵頭的施工程序和進(jìn)度必須進(jìn)行周密的計(jì)劃和安排，縮短下閘到第一段堵頭形成的時(shí)間間隔，使第一段堵頭能夠盡快形成。這就要求設(shè)計(jì)者不僅要對(duì)堵頭受力進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，而且要采取一些新技術(shù)、新材料、新方法，做好相應(yīng)的施工組織設(shè)計(jì)并提出時(shí)限要求，以避免出現(xiàn)事故造成損失。

導(dǎo)流洞封堵堵頭的形式有瓶塞形、截錐形、短釘形和拱形。這些形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)具體情況分析，具體選用。截錐形堵頭一般在堵頭邊墻和底板設(shè)置鍵槽，導(dǎo)流洞開(kāi)挖過(guò)程中將鍵槽一并開(kāi)挖完成,然后按導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行混凝土襯砌，在導(dǎo)流洞下閘以后，原則上需將鍵槽段導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)襯砌混凝土鑿除后才進(jìn)行堵頭混凝土澆筑，但在實(shí)際施工過(guò)程中，往往因?yàn)殍彸щy和工期較緊等原因，沒(méi)有將該段混凝土鑿除，僅將該段混凝土面鑿毛，并在邊墻和底板布設(shè)錨筋，保證新老混凝土之間、堵頭和圍巖之間結(jié)合緊密。可見(jiàn)，堵頭能將壓力較均勻地傳至洞壁，受力情況好，被廣泛采用。瓶塞形堵頭一般采用單段、單齒結(jié)構(gòu)，在上游水推力作用下，混凝土堵頭對(duì)圍巖形成擠壓。同時(shí)，混凝土堵頭伴隨軸向壓縮變形，徑向?qū)a(chǎn)生膨脹效應(yīng)，對(duì)圍巖形成擠壓，受到由于變形壓力產(chǎn)生的附加彈性抗力的作用，并由此在混凝土與圍巖接觸面上產(chǎn)生摩擦阻力。由于瓶塞形堵頭施工簡(jiǎn)單，受力狀況較好，所以導(dǎo)流洞堵頭較多采用此種體型。短釘形開(kāi)挖較易控制，但釘頭部分應(yīng)力較集中，受力不均勻，不常采用。拱形堵頭混凝土量少，但對(duì)巖石承壓及防滲要求較高，可用于巖體堅(jiān)固、防滲性較好的地層。

施工過(guò)程中，堵頭灌漿主要進(jìn)行固結(jié)灌漿、回填灌漿、接觸灌漿和接縫灌漿。一般情況下，堵頭需設(shè)置灌漿廊道，回填灌漿、接觸灌漿和接縫灌漿均在廊道內(nèi)進(jìn)行。固結(jié)灌漿是對(duì)堵頭外部圍巖的加固處理，是保障堵頭穩(wěn)定性的重要方面。回填灌漿則是因?yàn)槎骂^混凝土在澆筑完成后，由于重力作用和混凝土的干縮，堵頭混凝土與洞壁巖石或堵頭混凝土與導(dǎo)流洞襯砌混凝土之間會(huì)形成一個(gè)空腔，所以必須做好工作。回填灌漿在堵頭混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后進(jìn)行，灌漿管預(yù)埋在堵頭混凝土中，通常采用硬塑料管，并在拱形、壓力方面都有嚴(yán)格的要求。在堵頭混凝土達(dá)到穩(wěn)定溫度以后，由于重力作用和混凝土的干縮，堵頭混凝土與洞壁巖石或堵頭混凝土與導(dǎo)流洞襯砌混凝土之間會(huì)有縫隙，所以堵頭往往還要進(jìn)行接觸灌漿。接觸灌漿管預(yù)埋在堵頭混凝土中，灌漿管通常采用硬塑料管，一般情況下，灌漿范圍為拱頂及側(cè)墻。接縫灌漿是對(duì)堵頭分段澆筑處的灌漿，如果堵頭不設(shè)橫縫，則不需進(jìn)行接縫灌漿。接縫灌漿在混凝土堵頭全部澆筑完成，并且混凝土溫度降到穩(wěn)定溫度后進(jìn)行。這些灌漿都需要嚴(yán)格分清需要的灌漿壓力，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都不容忽視。

由于堵頭混凝土體積較大，所以在澆筑過(guò)程中采取相應(yīng)的溫度控制措施是非常必要的。主要考慮兩個(gè)方面：一是，堵頭是否需要進(jìn)行初期通水冷卻；二是，在堵頭最后一層混凝土澆筑完成后需要多長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定溫度,即需要通水多長(zhǎng)時(shí)間才能開(kāi)始接觸灌漿和接縫灌漿。另外，更應(yīng)該注意的是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，確定冷卻時(shí)間。

導(dǎo)流洞封堵堵頭事關(guān)工程安全運(yùn)行及效益發(fā)揮，是大型水電站關(guān)鍵的水工建筑物，因此，無(wú)論是設(shè)計(jì)還是施工，均應(yīng)高度重視、認(rèn)真對(duì)待。但在實(shí)際施工工作中應(yīng)根據(jù)施工情況，具體問(wèn)題具體分析完成施工，不應(yīng)該保守的根據(jù)一般的計(jì)算公式，甚至經(jīng)驗(yàn)方式完成。

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