居甫渡水電站導流洞封堵設計探討

孫碧飛

【摘要】居甫渡水電站于2005年1月25日實現(xiàn)大江截流，2008年4月20日導流洞下閘，2008年汛前完成封堵，2008年12月三臺機試運行完成，并網(wǎng)發(fā)電。導流洞封堵是電站發(fā)電前的關鍵要素，本文主要論述導流洞堵頭結構的體型及安全穩(wěn)定性，以期對其它的導流洞封堵設計有所借鑒和指導。

【關鍵詞】居甫渡；導流洞；堵頭；灌漿；穩(wěn)定性

1、工程概況

1.1 主體工程

本工程樞紐主要由以下建筑物組成：攔河大壩、溢流表孔、沖沙底孔、消力池、電站進水口、引水隧洞、地面廠房和下游河道護岸工程等。

水庫正常蓄水位522m，校核洪水位522.7m，最大壩高95m，總庫容7.74億m3，屬周調(diào)節(jié)水庫。電站總裝機容量285MW，多年平均發(fā)電量13.07億kW·h。工程規(guī)模屬大（2）型，工程等別為Ⅱ等，大壩為2級建筑物，其它主要建筑物為3級。

1.2 導流工程

導流方式：初期采用河床一次斷流，枯期圍堰擋水，導流洞泄流，汛期導流洞與圍堰聯(lián)合過流的導流方式；中后期為壩體擋水，導流洞、沖砂底孔及壩體缺口聯(lián)合過水的導流方式；導流洞和導流底孔下閘后，由沖砂底孔及溢流表孔聯(lián)合泄流。

導流標準：導流建筑物級別為Ⅳ級，初期導流，工程截流后的第一個枯期導流標準采用12月～5月枯期時段10年一遇洪水，相應設計流量為Q=1860m3/s；汛期圍堰過水，防洪設計標準采用全年20年一遇洪水，相應設計流量為Q=6520m3/s；中后期壩體臨時斷面擋水的設計標準采用全年100年一遇洪水標準，相應的設計流量為Q=9370m3/s。

2、下閘封堵

導流洞下閘程序，先下1孔，45min后下另1孔。導流洞下閘時間于2008年3月下旬進行，下閘設計流量采用區(qū)間P=10%頻率流量和龍馬水電站1臺機組發(fā)電流量組合，Q=154m3/s，第1孔下閘對應下閘水位464.344 m，下閘水頭4.344m，第2孔下閘對應下閘水位466.896 m，下閘水頭6.896m。

導流洞下閘后，為確保導流洞明洞段的結構安全，因此堵頭施工時間確定為2008年4月～2008年5月，考慮龍馬水電站3臺機發(fā)電流量和區(qū)間4月～5月P=10%頻率流量組合，相應設計流量Q=854 m3/s，由沖砂底孔和一孔溢流表孔聯(lián)合泄流，相應上游水位502.114m。

3、封堵體設計

3.1 設計標準

導流洞堵頭為永久建筑物，建筑等級為二級。根據(jù)大壩設計運行工況和建筑物等級綜合分析，堵頭設計水位為水庫設計洪水位522.00m，相應設計水頭62.00m；校核水位為水庫校核水位522.70m；相應校核水頭為62.70m。導流洞進口封堵閘門僅作為水庫初期蓄水和保護堵頭施工之用，堵頭設計中閘門的作用應不予考慮。結構設計主要考慮結構穩(wěn)定性與防滲效果。

3.2 位置選擇及布置

堵頭的布置應遵循以下原則：

（1）地質(zhì)條件。堵頭要求布置在巖石完整、堅硬、無裂縫的Ⅱ、Ⅲ類圍巖區(qū)。

（2）當洞線與大壩防滲帷幕線相交時，若相交出巖石滿足原則（1），則將防滲帷幕

與堵頭結合布置，若不滿足原則（1），則在帷幕與把軸線之間選擇。

（3）避免在帷幕和堵頭之間有漏水通道。

考慮導流洞堵頭布置需同大壩防滲帷幕結合，故導流洞堵頭布置于導0+296.615m～導0+321.615m，同時導流洞施工時已預留堵頭的位置。

3.3 結構型式

3.3.1 堵頭體型

堵頭的型式必須在安全可靠的前提下，力求簡單實用，施工方便，而且導流期間對水流影響小。堵頭縱斷面體型按照楔形體設計。在工程施工中堵頭段已按楔形體斷面進行開挖并進行了混凝土襯砌。堵頭橫斷面設計為馬蹄型，最大斷面尺寸為13.67m×17.00m（寬×高），最小斷面尺寸為11.60m×14.00m（寬×高）。

施工時為了有效排除閘門與堵頭前面的洞內(nèi)滲水，保證封堵施工的順利進行，在堵頭前緣設置14m×1m×1.8m（長×寬×高）的混凝土臨時擋水坎，并在底部埋設2根φ500mm排水鋼管，排水管上游端設置封堵閥門和后期灌漿、連通管。

3.3.2 堵頭長度確定

（1）設計依據(jù)。堵頭屬永久建筑物，建筑物等級為二級，設計與校核標準與水工混凝土重力壩相同，設計水頭62.00m，校核水頭為62.70m。

（2）基本假定。

a. 堵頭擋水后，水壓力經(jīng)堵頭傳遞到堵頭與巖石或堵頭與原襯砌混凝土的接觸面上。

b. 堵頭與原襯砌混凝土及圍巖均假定為線彈性連續(xù)體；

c. 經(jīng)過鑿毛后，堵頭與原混凝土之間的接觸面是連續(xù)的；

d. 原混凝土與圍巖之間的接觸面是連續(xù)的；

e. 圍巖及堵頭內(nèi)滲透水壓力忽略不計；

f. 剪應力沿接觸面是均勻分布；

g. 實際存在的地應力、圍巖高低不平及底板齒槽形成的嵌槽抗剪力等作為安全儲備不參與計算；

（3）計算方法

現(xiàn)階段堵頭長度基本上都是在計算的基礎上參考類似工程類別確定。各種方法計算結果相差較大，抗滑穩(wěn)定柱面沖切計算概念明確，較多的反映了封堵體的工作狀態(tài)，但是都沒有考慮圍巖對封堵體的作用。抗滑穩(wěn)定計算中參數(shù)的選取對計算結果影響很大。柱面沖切法計算結果經(jīng)國內(nèi)幾個工程反映與有限元計算結果接近，但多數(shù)工程都未將計算值直接用于實踐。參考其它工程導流洞堵頭長度，考慮一定的安全余度，本工程堵頭長度取20m。

堵頭結構見圖1。

3.3.3 堵頭穩(wěn)定性復核

參照《水工隧洞設計規(guī)范》（DL5195-2004）9.0.5-1、14.2.4-1、14.2.4-2，《混凝土重力壩設計規(guī)范》（DL5108-1999）8.2.1中柱狀封堵體的抗滑穩(wěn)定公式進行復核：

3.3.4 灌漿廊道

根據(jù)經(jīng)驗，廊道上游側端頭距堵頭上游面距離不小于0.5倍最小堵頭斷面，灌漿廊道寬、高尺寸均應小于堵頭斷面寬和高的0.6倍，由抗滑穩(wěn)定公式計算得出廊道上游端頭距堵頭上游臨水面距離為10m，灌漿廊道斷面尺寸為5m×4m，頂拱角90°，城門洞形。

3.4 材料設計

堵頭屬于永久擋水建筑物，承受水頭約62.7m。混凝土強度等級C2820，抗?jié)B等級W6，抗凍等級F50，采用二級配（Dmax=40mm）泵送混凝土。

水泥擬采用具有不收縮性能的42.5級中熱硅酸鹽水泥，或425號低熱微膨脹水泥；摻合料采用Ⅰ級粉煤灰，采用中熱硅酸鹽水泥時粉煤灰最大摻量30%，采用低熱微膨脹水泥時不摻粉煤灰；骨料采用卡渡橋灰?guī)r料場或小弧山料場開采加工的灰?guī)r人工骨料；外加劑可同時采用具有減水和引氣效果的復合外加劑。

3.5 灌漿設計

（1） 回填灌漿。 通過預留的灌漿管對頂拱120°范圍內(nèi)進行回填灌漿，灌漿壓力：0.2～0.3MPa；

（2） 固結灌漿。堵頭四周環(huán)向360°，進行固結灌漿，入巖深度10m，灌漿孔排距2.5m，灌漿孔中心角30°，每圈12孔，排間交錯布置。灌漿壓力：1.0～1.5MPa；

（3） 對堵頭混凝土與隧洞襯砌混凝土之間進行接縫灌漿，灌漿壓力：0.2～0.3MPa。

3.6 混凝土溫控設計

堵頭混凝土采用分層澆筑方式，經(jīng)穩(wěn)定溫度場、不穩(wěn)定溫度場、溫度應力及二期冷卻計算分析，堵頭混凝土應在2008年03月～05月施工，推薦澆筑分層及順序為：共分五層，下部457.017m～460.500m一層，中部460.500m～469.500m分三層，頂部469.500m～474.017m一層，澆筑溫度不超過18.0℃，設計容許最高溫度不超過42.0℃，層間間歇5天～7天。

堵頭需進行一期、二期通水冷卻。冷卻水管鋪設在每個澆筑層底部及坯層中，采用外徑32mm、內(nèi)徑28mm、單根長度不超過300m的HDPE塑料水管，蛇形布置，水平間距不大于1.5m，與周邊間距為0.8m～1.0m。下料澆筑混凝土時開始一期通水冷卻，水管進水口水溫約17.0℃，混凝土溫度降至30±1.0℃時結束，通水時間不少于20d；二期通水在各段最頂層混凝土一期通水結束后10天進行，水管進水口水溫約10.0℃，混凝土溫度降至16±1.0℃時結束。

4、結語

（1） 導流洞堵頭是與壩體同樣重要的建筑物，其施工是工程建設的重要環(huán)節(jié)，稍有不慎就將導致嚴重后果，必須引起各方的足夠重視。

（2） 堵頭長度計算方法較多，優(yōu)化余地較大，通過計算，實驗，工程類比，選擇既安全、又經(jīng)濟的設計長度。

（3） 目前居甫渡導流洞已經(jīng)封堵完成，電站按期發(fā)電，堵頭運行安全穩(wěn)定。

參考文獻：

[1] 春光魁、伍鶴皋、楊鑫平著，馬來西亞巴貢水電站導流洞封堵設計計算，西北水電，2006.6.

[2] 水利水電工程施工組織設計手冊，中國水利水電出版社，1996.8.