板澗河調蓄水庫導流洞封堵設計

李 敏

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

板澗河調蓄水庫位于運城市垣曲縣板澗河村下游約1.5 km處，主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪洞、補水泵站和連通洞進水塔。大壩和補水泵站為2級建筑物，溢洪道和泄洪洞為3級建筑物。洪水標準為50年一遇設計，1 000年一遇校核。水庫庫容3 336萬m3，采用面板堆石壩，最大壩高85 m。正常蓄水位535.5 m，汛期限制水位535.5 m，死水位498 m，設計洪水位535.5 m，校核洪水位為538.53 m。

2 導流洞概況

根據板澗河水庫工程總體布置，泄洪洞進口設計為龍抬頭，進水口底高程為490 m，不能滿足施工導流需求，需修建施工導流洞，并與永久泄洪洞結合。

導流洞布置于大壩左岸溢洪道與泄洪洞之間，洞進口距壩軸線約300 m，洞軸線方向S68.5°E。洞長258m，設計導流流量為66.9 m3/s，進口底高程470.46 m，設計縱坡1/100，城門洞型，底寬4 m，直墻高3.6 m，拱高1 m，拱半徑2.5 m，拱中心角106°。施工導流洞在樁號泄0+150處與泄洪洞相接，施工導流洞與泄洪洞的水平夾角為15°，之后由泄洪洞導流。

3 導流洞封堵設計

3.1 封堵體的位置和型式

為了水庫能及時蓄水，按期受益，施工導流洞在完成導流任務后，必須有計劃地進行封堵。導流洞封堵體與板澗河調蓄水庫連通，根據我國幾十年來的水利水電建設經驗，封堵體是水工結構的組成部分，它的安全運行直接影響水庫的蓄水安全和運行安全，因此，導流洞封堵體的設計級別與板澗河大壩相同，按2級建筑物設計，其標準按永久建筑物設計。

導流洞封堵體位置應設在地質條件較好的洞段，根據圍巖的工程地質和水文地質條件，結合大壩左岸帷幕灌漿布置。導流洞進口段為Ⅳ類圍巖，內部均為Ⅲ類圍巖，導流洞線在樁號0+131處與帷幕灌漿線相交，因此在樁號0+131前后處設置封堵體。由于導流洞與泄洪洞在樁號0+242.5 m處相接，為避免泄洪洞內下泄水流進入導流洞內，在導流洞末端與泄洪洞相接處也應封堵，封堵體長度為6 m，等斷面延伸至泄洪洞，并與泄洪洞平順相接。因此，板澗河調蓄水庫導流洞封堵體布置為兩處，分別為樁號0+131 m、0+242.5 m。導流洞封堵安排在大壩具備蓄水條件且在非汛期水量較小時段，先封堵中間段，待水庫蓄水確認其封堵安全后，再封堵與泄洪洞交叉處的末端段。

導流洞封堵體的型式有圓柱形，楔形，板殼形等型式，板澗河調蓄水庫導流洞最大設計水頭接近70 m，設計水頭相對較高，因此選用超載能力強，受力條件較好的楔形體型。

3.2 導流洞封堵體長度的計算

確定封堵體長度的計算方法有5種，在《水工隧道設計規范》（SL 279-2002）推薦圓柱面沖壓剪切原則計算，在《水工隧道設計規范》（SL 279-2016）推薦抗滑穩定理論。本次只對兩本規范推薦的兩種方法進行計算和論證。

3.2.1 圓柱面沖壓剪切原則計算

圓柱面沖壓剪切原則計算，按等斷面封堵體進行計算，等斷面封堵體計算公式：

式中：L——封堵體長度，m；

P——封堵體迎水面承受的總水壓力，MPa；

[τ]——容許剪應力，取0.2 MPa；

A——封堵體剪切面周長，15.83 m；

樁號0+131處的底高程為469.15 m，水庫校核洪水位為538.53 m，設計水頭為69.38 m，P=23.6 MPa，經計算封堵體長度為7.4 m。

3.2.2 抗滑穩定理論計算

抗滑穩定理論計算公式：

式中：K——按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數，基本荷載組合時取3.0，特殊荷載組合時為2.5；

S——荷載效應設計值；

R——封堵體的承載力設計值。

荷載效應設計值計算公式：

式中：S——荷載效應設計值

∑P——封堵體承受的全部荷載效應對滑動面的最大切向分值，kN。

封堵體的承載力設計值計算公式：

式中：R——封堵體的承載力設計值；

f′——混凝土與圍巖或混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數，取0.9；

∑W——封堵體承受的全部荷載效應對滑動面的法向分值，向下為正，kN；

C′——混凝土與圍巖或混凝土與混凝土的抗剪斷凝聚力，取700 kPa；

Ai——除頂拱部位外，封堵體底面、側面與圍巖或混凝土接觸面的面積；

λi——除頂拱部位外，封堵體底面、側面與圍巖或混凝土接觸面的有效面積系數，底面取λ=1，側面取λ=0.3。

為使抗滑穩定理論計算公式成立，經過多次試算，封堵體長度最短為7.3 m。

3.2.3 封堵體長度確定

通過上述兩種方法的計算，封堵體最短長度為7.4 m；以往我國確定封堵體的長度常采用估算法，按封堵體洞徑的3倍以上計算，板澗河調蓄水庫導流洞的底寬為4 m，封堵體長度不能小于12 m；再參考已經建成的和正在運行的類似工程，如柏葉口水庫工程，壩高和導流洞情況與板澗河調蓄水庫很相似，封堵體長度取12 m。經綜合考慮，板澗河調蓄水庫導流洞封堵體設計長度采用12 m。

3.3 封堵體的灌漿

封堵體采用大體積鋼筋混凝土，由于重力作用以及混凝土的干縮作用，使得封堵體與周圍的巖石之間存在縫隙，形成滲水通道，如果滲流量過大，會使封堵體的承載力下降，為了盡量避免這一情況發生，確保封堵體安全運行，封堵體必須進行固結灌漿、回填灌漿、接觸灌漿和接縫灌漿。

板澗河調蓄水庫導流洞封堵體段，要求開挖成楔形不平整結構，混凝土澆筑時在距封堵體端部3 m處洞中央設置2 m×2.6 m的灌漿廊道，四周預留固結灌漿孔，固結灌漿孔深入巖石3 m，排距為2 m，呈梅花形布置。在封堵體全段頂拱120°范圍內進行回填灌漿，應按環間分序、環內加密的原則進行灌漿，回填灌漿壓力為0.3 MPa。在直墻和洞底的混凝土裂縫充分張開后進行接觸灌漿、接縫灌漿。

4 結論

施工導流洞為施工時完成導流任務的臨時建筑物，導流洞封堵是水庫蓄水前的必要條件，封堵體是水工結構的組成部分，為永久性建筑物，它的安全運行直接影響水庫的蓄水安全和運行安全，因此在設計和施工中都應該引起足夠的重視。通過本文的闡述，介紹了導流洞封堵設計的要點和關鍵數據，為類似工程設計提供借鑒。