小中河水電站導流洞堵頭設計與施工

扶志斌

（湖南建工集團有限公司,湖南 長沙 410004）

1 工程概況

小中河水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1564.20 m,壩頂長度124.00 m，最大壩高40.00 m。為一高水頭、長引水式電站。設計裝機容量為22 MW，額定水頭833.6 m。

施工導流采用一次攔斷河床時段圍堰擋水的隧洞導流方式。時段圍堰擋水標準為時段11月～次年4月頻率10%的洪水，導流洞運行期設計最大泄量約為38 m3/s，最大流速約為10 m/s。導流洞布置在右岸，全長271.19 m。洞身段進水口底板高程1533.50 m，出水口底板高程1522.00 m，縱坡6.5%。隧洞斷面采用2 m×2.1 m（寬×高）圓拱直墻型，頂拱中心角180°。進水口結構設封堵門槽，封堵閘門采用平板鋼閘門。

2 堵頭設計

2.1 堵頭的設計標準

導流洞堵頭為永久建筑物，其設計級別、穩定及防滲要求等均等同于面板堆石壩，為4 級建筑物，設計洪水標準為100 年一遇，設計洪水位為1562.00 m，校核洪水標準為500 年一遇，校核洪水位為1562.22 m。

導流洞堵頭屬永久工程，應與大壩防滲帷幕結合成整體。根據面板堆石壩結構及其帷幕布置，從平面上看，導流洞從帷幕以下經過，洞頂距原設計帷幕底線5 m～8 m（垂直距離）。因為導流洞距帷幕線較近，在導流洞開挖施工中，圍巖完整性會受到影響。為保證大壩防滲帷幕的完整性，防止形成滲水通道，將永久堵頭布置在導流洞與大壩趾板平面相交位置。堵頭施工完成后在導流洞內進行帷幕補強灌漿，并將堵頭包裹在內，與防滲帷幕結合成整體。

2.2 堵頭段地質條件

導流洞埋深2.0 m～67 m，根據開挖揭露的實際地質情況，導流洞圍巖巖性為灰白色、肉紅色中細粒花崗巖，中等風化至微風化，巖石堅硬，節理少量發育，多呈閉合狀，為Ⅰ、Ⅱ類圍巖，地下水主要為基巖裂隙潛水。在導流洞進、出口段各25 m長范圍，采用鋼筋混凝土襯砌，其余洞段采用噴錨襯砌。

導流洞永久堵頭計算地質參數建議值：混凝土與Ⅱ類圍巖抗剪斷摩擦系數為1.2；堵頭混凝土與Ⅱ類圍巖抗剪斷粘聚力為1.2 MPa。

2.3 堵頭長度計算

a）計算工況

本工程設計洪水位為1562.00 m，校核洪水位為1562.22 m。堵頭處洞底高程約為1528.965 m，設計水頭33.04m，校核水頭33.26 m。

永久堵頭抗滑穩定根據《水工隧洞設計規范》（DL/T 5195-2004）承載能力極限狀態驗算方法，按以下2 種工況進行計算：基本組合，上游設計水位1562.00 m情況；偶然組合，上游校核洪水位1562.22 m情況。

b)計算公式

作用效用函數：S（·）=∑PR

抗力函數：R（·）=fR∑WR+CRAR

式中：∑PR為滑動面上封堵體承受的全部切向作用之和，kN；∑WR為滑動面上封堵體全部法向作用之和，向下為正，kN；fR為混凝土與圍巖的摩擦系數；取為1.0；CR為混凝土與圍巖的粘聚力，取為1.0×103kPa；AR為除頂拱部位（90°～120°）外，封堵體與圍巖接觸面的面積，m2；

各作用效應組合按下列設計表達式計算：

承載能力極限狀態基本組合表達式：

承載能力極限狀態偶然組合表達式：

式中：γ0為結構重要性系數，對于結構安全級別為Ⅲ級的結構采用0.9；ψ為設計狀況系數，對于持久、短暫、偶然分別采用1.0、0.95、0.85；γd1為承載能力極限狀態基本組合的結構系數，取為1.2；γd2為承載能力極限狀態偶然組合的結構系數，取為1.2；αk為幾何參數的標準值；fk為材料性能的標準值；γm為材料性能的分項系數；Gk為永久作用的標準值；γG為永久作用的分項系數；Qk為可變作用的標準值；γQ為可變作用的分項系數；Ak為偶然作用的代表值。

設堵頭的長度為L、堵頭的面積A=3.7708 m2，封堵體剪切面周長，不計頂拱長度，周長S=4.2 m。

偶然組合時：

解得：L=0.77 m。

同樣可算出基本組合時：L=0.90 m。

經計算，堵頭長度為0.9 m即可滿足穩定要求。實際布置時，為了便于與大壩防滲帷幕結合成整體，確定堵頭長度為10.4 m。

類比國內已建類似工程，堵頭長度多數是洞徑的2.5倍～3倍、擋水水頭的1/3～1/4，本工程導流洞永久堵頭設計長度10.4 m、約為洞徑的5 倍，約為擋水水頭的1/3。因此，堵頭長度取10.4 m是合適的。

2.4 堵頭結構設計

堵頭需滿足穩定和防滲需要，本工程堵頭擋水位水頭較高，堵頭所受的荷載較大，但是導流洞斷面較小，周邊圍巖地質條件較好，結合計算分析，封堵體采用等截面素混凝土結構。混凝土強度等級為C20，抗滲等級為W6，為增加防滲效果，在堵頭上下游設置兩道止水銅片。導流洞堵頭結構設計見圖1。

圖1 導流洞堵頭結構設計圖

3 施工組織

堵頭回填施工程序：清除松動巖石并用高壓水沖洗干凈→布設灌漿系統→堵頭混凝土澆筑→圍巖與堵頭混凝土頂拱回填灌漿→接觸灌漿→（導流洞封堵處）主壩趾板帷幕補強灌漿。

3.1 施工準備

1）導流洞進水口設有進水口結構和進水口閘門，封堵蓄水時，由進水口閘門下閘封堵，進行永久堵頭的施工。

2）先將導流洞內積水抽干后，檢查全洞圍巖穩定性，如發現安全隱患應先進行處理。為保證堵頭混凝土與圍巖的有效接觸，堵頭施工前將堵頭段原噴錨混凝土鑿除，對松動圍巖應清除，并沖洗干凈。

3.2 混凝土澆筑

封堵模板采用木模板，為加強混凝土與基巖之間的粘聚性，混凝土澆筑前鋪設一層5 cm厚水泥砂漿。混凝土采用混凝土泵入倉，一次性澆筑完成。由于采用泵送混凝土，為保證混凝土的流動性和和易性，混凝土的塌落度控制在200 mm～230 mm之間。為保證堵頭達到穩定溫度后進行灌漿，砼內部埋設間距1.2 m冷卻水管。

3.3 灌漿設計施工

灌漿由預埋灌漿管進行，堵頭混凝土的強度需達到70%以上、穩定溫度≤17℃后，再進行回填、接觸灌漿，灌漿壓力0.2 MPa～0.3 MPa。根據現場揭露的地質資料，圍巖為微新巖石，無需進行固結灌漿。回填灌漿和接觸灌漿均采用預埋管，引至堵頭下游端進行。

3.3.1 回填灌漿

堵頭混凝土由于受頂拱限制，很難將頂部澆筑滿，因此需要在頂拱埋設回填灌漿管。回填灌漿在頂拱90°范圍內進行，回填灌漿管孔距為1.5 m，排距為1.5 m，灌漿壓力0.2 MPa～0.3 MPa。在堵頭混凝土強度達到設計強度的70%以上后進行。在設計壓力下，灌漿管停止吸漿，即灌漿完成。

3.3.2 接觸灌漿

接觸灌漿是為了充填堵頭混凝土后期冷卻收縮產生的與基巖面之間的縫面，堵頭混凝土與圍巖間應進行接觸灌漿，接觸灌漿灌漿管孔距為1.5 m，排距為1.5 m，灌漿壓力0.3 MPa～0.5 MPa。接觸灌漿需在堵頭混凝土達到穩定溫度后進行。

4 結語

導流洞堵頭受地形、地質條件及大壩帷幕灌漿位置的影響，堵頭為永久建筑物，其設計級別、穩定及防滲要求等均等同于擋水建筑物，為了保證堵頭的封閉性，后期灌漿施工尤為關鍵。小中河水電站下閘蓄水發電約8年時間，導流洞堵頭未出現滲水和漏水現場，為水電站大壩的安全運行提供了有力保障。