高家壩防洪水庫工程導流隧洞封堵設計

許正舉 王 翔

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

導流隧洞的封堵一般由兩部分組成，首先利用進口封堵閘門截斷進入隧洞的河水臨時封堵，然后在導流隧洞中選擇適當的位置用混凝土（通常稱為堵頭）將完成使命的導流隧洞完全封堵，確保水庫內蓄水的安全，并不滲漏到下游。筆者根據設計經驗和掌握的部分資料，對臨時封堵閘門設計以及堵頭的設計原則、合理長度、體形和相應措施等方面進行分析。

1 工程概況

高家壩防洪水庫工程位于沅水二級支流猛洞河中上游，攔河壩壩頂高程▽373.5m，最大壩高63.5 m，正常蓄水位▽368.0m，相應庫容6 320萬m3。溢流壩位于河床中部，溢流堰堰頂高程▽355.0m，共設3孔溢流堰。

施工導流采用一次攔斷河床隧洞導流的方式，導流洞布置在大壩左岸。洞身巖體為寶塔組（O2b）下部薄～中厚層灰巖，巖石弱～微風化狀，巖層產狀N22°W～N25°ESE（NW）∠5°～15°，傾向右岸，傾角平緩，節理裂隙或溶隙較發育。導流洞為城門洞形，寬度6.0m，高度6.5m，頂拱半徑 3.0m，頂拱中心角180°，隧洞進口底板高程316.0m，出口底板高程315.0m，隧洞全長347.0m。

截止2009年3月底，樞紐建筑物已基本完工，防洪水庫工程具備下閘蓄水條件。根據進度安排，計劃于2009年4月1日導流隧洞進口臨時封堵門下閘封堵，4月～5月永久堵頭在進口臨時封堵門和出口土石圍堰保護下進行施工，5月底堵頭施工完畢，防洪水庫工程正式投入運行。

2 進口臨時封堵設計

2.1 進口臨時封堵閘門設計標準

根據進度安排，進口臨時封堵閘門的擋水設計洪水標準按照《水利水電工程施工組織設計規范》的相關規定，選10月～次年5月5年一遇洪水（Q=710 m3/s）。但考慮到進度安排永久堵頭施工期已跨入汛期，依據規范規定，進口臨時封堵閘門的度汛設計洪水標準選全年10年一遇洪水（Q=2 013m3/s）。封堵期設計洪水標準、時段流量及有關水力學參數見附表。

附表 封堵期導流水力學參數表

溢流壩閘門的調度方案如下：

（1）當入庫流量小于或等于機組的過機流量61 m3/s時，維持庫水位360.0m，泄水建筑物閘門關閉，入庫流量通過水輪機下泄。

（2）當入庫流量在（61～710）m3/s時，通過調節閘門開啟高度，維持庫水位360.0m。

（3）流量在（710～2 013）m3/s時，閘門部分開啟至全開，庫水位維持在363m以下。

經分析計算取臨時封堵閘門設計擋水位360.0 m、校核擋水位363.0m。

2.2 臨時封堵閘門設計

2.2.1 臨時封堵閘門型式選擇

封堵閘門沉放后不再提起和利用,因此閘門的結構形式應盡量簡單經濟,起吊方便、可靠。根據選定的臨時封堵閘門設計標準對鋼閘門和鋼筋混凝土疊梁門進行比較：①鋼閘門造價較鋼筋混凝土閘門高出近一倍，不經濟；②鋼閘門重量不足鋼筋混凝土閘門的一半，起吊較方便；③若不考慮采用整體鋼筋混凝土閘門（整體閘門重達131.6 t），而是借鑒其他項目已成功使用的鋼筋混凝土疊梁閘門，最大單根疊梁的重量為37.1 t，可利用汽車吊分節吊裝。綜合比較，業主明確導流隧洞進口臨時封堵閘門采用鋼筋混凝土疊梁門。

2.2.2 臨時封堵閘門設計

（1）封堵閘門所承受的荷載主要來自蓄水后庫水位的上升所形成的水壓力。閘門工作時段為閘門下閘封堵至永久堵頭達到設計強度所需的時間。在此時段內,水庫蓄水設計保證率取80%，按4、5月份80%的月平均流量計算，約35天可達到360.0m高程。

（2）臨時封堵閘門采用鋼筋混凝土疊梁門，根據導流洞進口結構形式、尺寸及結合吊裝能力初步分析確定臨時封堵門由四根鋼筋混凝土梁組成。梁長度由導流隧洞的凈寬（考慮門槽的深度）決定，考慮吊裝和保護門槽因素，門槽兩端各預留50mm寬，梁長度取6.9m。門槽順水流方向寬為1.2m，為便于安裝滑塊，同時考慮不損壞門槽預埋鋼契塊而預留空隙，暫定梁高為1.05m。考慮單根梁沉放時是否需要配重和起吊設備吊裝能力，經過計算分析，選擇下面1#、2#疊梁寬度取2m，上面3#、4#疊梁寬度確定為1.55m。見疊梁門封堵示意圖1。

圖1 疊梁門封堵示意圖

（3）根據初步確定的疊梁截面尺寸進行疊梁的配筋計算，并通過配筋結果驗證疊梁的截面尺寸能否滿足擋水要求，是否需要重新設計疊梁截面尺寸。

① 基本情況和設計標準。

隧洞進水口底板高程：316m；隧洞進水口頂板高程：322.5m；門槽寬：1 200mm，門槽厚：500mm；設計水位：360m，設計水深：44m；校核水位：363m；按臨時建筑物考慮，為Ⅴ級建筑物，其結構系數rd=1.25；裂縫允許的最大開展寬度：[σf]=0.30 mm（短期）（二類環境）；裂縫允許的最大開展寬度：[σf]=0.25mm（長期）（二類環境）；容許撓度：L0/400（L0為計算跨度）；一般經濟配筋率：0.6%～1.5%超筋配筋率：2.63%；結構安全等級：Ⅲ級ψ=0.9；設計狀況：持久狀況 г0=1.0。

② 根據受彎疊梁的正截面承載力計算確定疊梁的受力鋼筋,分布鋼筋按構造要求設置。

③ 根據受彎疊梁的斜截面承載力計算確定是否設置疊梁的箍筋和彎起鋼筋。

④ 根據受彎疊梁的正截面承載力驗算受力鋼筋部分彎起后，正截面承載能力能否滿足抗彎要求。以受力鋼筋彎起點為驗算截面，計算彎起點所需的受力鋼筋截面面積。若不滿足抗彎要求，應先減少受力鋼筋彎起數量，然后設置斜筋以提高斜截面抗剪能力。也可通過增大疊梁厚度和提高混凝土的強度等級來滿足要求。并對疊梁的撓度變形進行驗算。

⑤ 對疊梁的吊裝進行設計。結構自重按均布荷載考慮，使最大正彎矩和最大負彎矩相等，從而確定吊環位置。每根疊梁上部設置4個吊環，設計中按3個吊環同時發揮作用考慮，每個吊環有兩肢受力，從而選定疊梁吊環間距和吊環圓鋼的直徑。并對疊梁單吊點和雙吊點的起吊條件進行復核。

⑥ 為減少閘門下放后的滲水量，確保永久堵頭順利施工。在疊梁閘門底部以及疊梁間設置方型橡膠止水，在疊梁閘門側邊和頂部的下游面與門槽接觸部位設置P型橡膠止水，使閘門整個止水系統形成封閉體。

3 導流隧洞永久封堵堵頭設計

導流隧洞封堵堵頭為永久擋水建筑物，安全系數和防滲等級必須滿足相應規范要求，設計荷載和校核荷載分別按大壩工程的設計洪水位和校核洪水位進行計算。為確保整個樞紐安全，對位于穿越壩體范圍內的導流隧洞是否需要進行全段封堵應根據攔河壩的結構形式和應力傳遞要求確定，堵頭應布置于大壩帷幕線附近，以確保水庫蓄水不會通過堵頭上下游巖體繞滲到庫外，影響水庫運行期的正常蓄水。

對封堵堵頭的設計而言，其位置相對比較固定，形狀也很容易做出選擇，因而封堵體設計的核心問題就是其長度的確定。

3.1 設計標準

高家壩防洪水庫工程大壩為Ⅲ級水工建筑物，根據規范規定，封堵堵頭作為永久建筑相應也為Ⅲ級，堵頭設計標準如下：設計洪水標準50年一遇，相應流量3 259m3/s，對應上游水位372.0m；校核洪水標準500年一遇，相應流量5 090m3/s，對應上游水位372.0m。

3.2 堵頭長度計算方法選定

根據以往國內外工程上常用的確定封堵堵頭長度的計算方法主要有以下幾種：

（1）按3倍以上洞徑或洞寬確定堵頭長度L=3×D。

（2）按挪威的經驗公式 L=（3～5）H/100。

（3）按照經驗公式 L=h×D/50。

（4）參照重力壩的計算方法，用基礎面的抗滑穩定條件確定，雖然概念明確，但是側面和頂拱不計或少計粘聚力，不符和實際情況。其計算公式為：

（5）按照混凝土抗沖壓剪切原則確定，設計概念明確，計算簡便，其柱面剪應力平均分布的假定與三維有限元計算的結果比較接近，有較好的實用性。其計算公式為：

（6）極限平衡條件（抗剪斷強度）法，其計算公式為：

式中l——堵頭長度(m)；

K1——摩擦力的安全系數，可取1.05～1.15；

K2——凝聚力的安全系數，建議取4～6；

P——封堵體迎水面承受的總水壓力（kN）；

ρ——混凝土重度（kN/m3）；

A——堵頭斷面面積（m2）；

F——混凝土與巖石（或混凝土）的摩阻系數,取 0.95～1.0；

S——堵頭斷面周長（m）；

C——混凝土與巖石（或混凝土）的抗剪斷黏結力，取（0.7～0.75）MPa；

λ——抗剪斷面積有效系數，可取0.7～0.75，主要考慮頂部接觸不良、接縫灌漿效果不佳、接觸面的處理清洗不良和混凝土收縮影響等因素。

通過上述6種計算方法比較，各種方法計算出的最小長度有比較大的差距。單純的采用某一種方法確定堵頭的長度是不完善的。堵頭取得太長，增加工程造價，取的太短則可能破壞，一旦破壞會造成嚴重后果。因此，堵頭的計算長度應該結合實際情況和工程類比的方法聯合確定。本次堵頭設計長度計算擬采用抗剪斷公式，同時考慮施工水平及堵頭施工質量等綜合因素，最終確定堵頭長度。

導流隧洞堵頭長度確定以后，為了使堵頭符合抗滑穩定計算時的假定，增大其安全儲備，設計時考慮增設齒槽、錨筋、倒坡等抗剪措施。

3.3 堵頭的布置

堵頭的位置考慮到與大壩帷幕線的銜接，設置在大壩帷幕中心線附近，堵頭全長12.5m，為一整段，堵頭布置詳見堵頭設計圖2。

圖2 堵頭設計

3.4 堵頭型式

堵頭采用常規的截錘型，在堵頭底部、側面開挖齒槽，挖除堵頭段原隧洞底板襯砌混凝土與邊墻的噴混凝土，使堵頭座落在基巖上。齒槽為三角形水平斷面，前端坡比1∶2，最大挖深1.0m。側墻齒槽最大高度4.4m，側墻齒槽最大寬度7m。

在堵頭體內設與下游相通的灌漿廊道，斷面尺寸為2.0m×2.5m，廊道底板向下游呈3.0‰坡度以利于排除廊道內積水。在堵頭前端布置兩道止水銅片，末端布置一道止漿片。堵頭底板和側墻布置有梅花形插筋以增強其抗剪作用。

3.5 溫度控制設計

封堵堵頭屬大體積混凝上，應采取有效的溫控措施，混凝土堵頭溫控設計的目的：一是防止混凝土裂縫，二是確定達到接觸灌漿溫度所需的冷卻時間，三是減少接縫灌漿或回填灌漿工作量。

堵頭混凝土澆筑后受周圍圍巖的約束，設計要求混凝土最高溫度不超過40℃。

在施工過程中從以下幾個方面采取措施，防止混凝土產生溫度裂縫：

（1）對混凝土原材料和配合比的選擇及施工中各個環節嚴把質量關，提高混凝土的抗裂能力。

（2）降低混凝土水化熱溫升，減少每方混凝土重的水泥用量。采取薄層澆筑，層厚1.5m，間歇期5～7天，當氣溫較高時，澆筑混凝土應盡量采取早晚和夜間進行。

（3）控制混凝土澆筑溫度，澆筑溫度控制在16℃之內，4、5月份月平均氣溫較高，應采取必要的預冷措施。

（4）堵頭混凝土冷卻蛇形管采用直徑25.4mm的鋼管，水管從堵頭下游面引出，布置間距為0.8 m，蛇形管內流量應控制在16 L/min左右，以保證管內形成紊流。

3.6 灌漿設計

導流隧洞封堵后的滲漏由三個方面原因造成：

（1）地質情況復雜,堵頭周圍的巖體存在漏水通道和較發育的滲水裂隙。（2）堵頭周界（特別是頂部）存在貫通的縫面。（3）在壓力水頭作用下堵頭本身和其一定范圍內圍巖的滲水。

通常由前兩種原因引起的漏水量比較大，必須通過工程措施進行處理。將導流隧洞堵頭布置在防滲帷幕處，就是為了防止由于地質情況沒有查明引起滲漏量大時，可以通過加深帷幕來封堵巖石中的裂隙。堵頭周界的縫面經過回填灌漿和接觸（縫）灌漿后，一般不會產生漏水。壓力水頭作用形成的滲流流量較小，不會在堵頭和周圍的巖石引起失穩破壞，通常可根據水力梯度的大小，對堵頭混凝土提出一定的抗滲等級要求，本次設計堵頭混凝土標號R28C25，抗滲標號≥W8，堵頭混凝土摻入適量膨脹劑。

堵頭頂拱回填灌漿控制頂拱中心角120°的范圍，控制面積約 55m2。灌漿壓力（0.2～0.3）MPa。灌漿時間可在混凝土澆筑后5～7天，設計強度達到70%后進行。

堵頭固結灌漿共60孔，按梅花型布置，鉆孔深入圍巖 5.0m，每排 12 孔，排距（0.9～2.5）m，灌漿壓力（0.8～1.2）MPa。

堵頭接觸灌漿是堵頭與巖石接觸面的接觸灌漿，在堵頭混凝土段內均采用預埋硬塑料管的方式預留灌漿孔，巖石段灌漿孔可從堵頭廊道內采用手風鉆鉆孔，與固結灌漿采用同一孔位，灌漿壓力（0.6～0.8）MPa。

為確保堵頭回填灌漿和接觸（縫）灌漿的質量,在堵頭的上游端設二道紫銅止水片（兼作止漿片），下游端設一道鍍鋅鐵皮止漿片。為確保接觸（縫）灌漿的施工質量，在頂部和兩側設排氣槽。

3.7 觀測設計

堵頭應進行原型觀測，以指導封堵期施工及運行維護。觀測設備的埋設易造成混凝土內部的薄弱點，觀測設備的埋設不宜太多。結合堵頭混凝土的結構情況，本次設計選擇以下觀測內容：堵頭內部溫度觀測（溫度計3支）、堵頭混凝土與巖石之間縫面觀測（測縫計2支）。

4 應注意的問題

本工程導流隧洞封堵施工完工近5年了，至今運行良好，未出現漏水等問題。實踐驗證了臨時封堵采用鋼筋混凝土疊梁閘門的設計是經濟合理的，堵頭設計也是合理安全的。但設計還有進一步優化的空間，通過分析在施工過程中出現的問題，總結出以下幾個需完善的內容：

（1）臨時封堵采用鋼筋混凝土疊梁閘門解決了經濟和吊裝的問題，但是疊梁門設計分節過多對止水的施工難度很大，建議在設計時盡量考慮少分節。

（2）疊梁間的止水是通過埋設在疊梁底部的方型橡膠止水實現的，如疊梁自重過小，隨著庫水位上升，水壓增大，勢必會造成漏水。設計時應合理考慮疊梁的尺寸，以滿足止水所需的重量。

（3）根據地質專家意見取消了導流隧洞堵頭固結灌漿，修改為單排帷幕灌漿，并與大壩帷幕灌漿相結合。設計時切實考慮隧洞堵頭附近的圍巖狀況，合理減少不必要的工程措施，做到經濟合理，并優化施工工期。

5 結 語

導流隧洞作為臨時建筑物，工程量相對較小，其重要性往往被忽視。工程實踐證明，導流隧洞一旦失事，將給工程帶來重大的損失，特別是導流隧洞的下閘封堵，一旦出現失誤，水庫無法進行蓄水，由于其他相關建筑物都已建成，等待投產發電，其后果是不堪設想的。應充分重視導流隧洞的封堵，設計時必須根據工程的實際情況進行計算分析，以確保工程安全。

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