前坪水庫導流洞封堵體綜合設計

尚俊偉 楊子江 楊安邦

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

前坪水庫是一座是以防洪為主，結合灌溉、供水，兼顧發電的大型水庫，水庫總庫容為5.84 億m3。工程施工期間主要靠導流洞進行導流，根據壩址區地形條件，導流洞布置于大壩右岸山體內。導流洞進口設置控制段，內設平面鋼閘門?？刂贫蔚装屙敻叱?43.0m。洞身斷面為城門洞型，寬7.0m，高9.8m，其中直墻高7.2m，拱矢高2.6m，拱頂中心角146°。洞身總長323.3m，呈直線布置，進口底板頂高程343.0m，出口底板頂高程342.0m。洞身段位于弱風化安山玢巖中，其飽和抗壓強度64.7MPa，巖體裂隙較發育，裂隙走向以北西向為主，主裂隙走向與洞身段軸線夾角大于50°，巖體完整性差，圍巖類別為Ⅲ類。

導流洞在完成其導流任務后需進行封堵，其能否順利實施是水庫蓄水的關鍵環節。前坪導流洞封堵標準采用非汛期100年一遇，經調洪演算，導流洞封堵閘門水位為373.25m。根據施工進度安排，封堵前壩體已填筑高程為423.5m，滿足導流洞封堵條件。

2 建筑物級別及設計標準

導流洞封堵體為永久性擋水建筑物，設計標準與大壩相同，為1 級建筑物。設計洪水標準為500年一遇，相應庫區洪水位418.31m；校核洪水標準為5000年一遇，相應庫區洪水位422.41m。

3 位置和體型選擇

為了保證水庫的整體防滲效果，導流洞封堵體的位置選擇在大壩防滲帷幕中心線與導流洞洞身相交處，建成后的封堵體與大壩防滲帷幕連成整體。為降低施工難度，縮短施工工期，保留原有一襯結構（底板及邊墻圍巖設置鍵槽），將其表面鑿毛處理后直接在洞內澆筑封堵體混凝土。

4 封堵體長度確定

4.1 計算方法

4.1.1 抗滑穩定理論法計算

該方法為《水工隧洞設計規范》（SL 279-2016）推薦方法，其具有概念清晰，受力明確的優點，考慮了荷載、斷面尺寸、形狀以及圍巖與封堵體間的凝聚力、摩擦系數等諸多因素。公式如下：

式中：

K—按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；

R—封堵體承載力設計值；

f '—混凝土與圍巖或者混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數，該工程分別取0.8 和1.0；

C '—混凝土與圍巖或者混凝土與混凝土的抗剪斷粘聚力，kPa，該工程分別取值500 和1000；

Ai—除頂拱部位外，封堵體底面、側面與圍巖或者混凝土接觸面的面積，m2；

λi—除頂拱部位外，封堵體底面、側面與圍巖或者混凝土接觸面的有效面積系數，該工程底面取值1.0，側面取值0.6。

4.1.2 圓柱面沖壓剪切計算方法

該方法為《水工隧洞設計規范》（SL 279-2002）推薦方法，主要是對封堵體底部及兩側進行抗沖切計算，安全條件是周界上的平均剪應力小于巖石與混凝土之間的容許剪切應力，公式如下：

L ≥P / [τ] A

式中：

L—封堵體長度，m；

P—迎水面總水壓力，MN；

[τ]—容許剪應力，MPa，一般取值（0.2～0.3）；

A—封堵體剪切面周長，m。

4.1.3 經驗公式法

該方法主要根據工程實踐經驗總結得來，以擋水水頭或者洞徑尺寸做參考，采用以下公式估算：

L=（3～5）H/100

或L ≥3D

式中：L—封堵體長度，m；

H—擋水水頭，m；

D—封堵體洞徑，m。

4.2 計算結果

前兩種方法計算的封堵體長度分別為19.62m 和24.26m，取計算大值，封堵體長度按照25.0m 設計，亦滿足經驗公式法確定的經驗長度。

5 封堵體設計

5.1 總體布置

封堵體施工前依靠導流洞控制段閘門下閘擋水，然后再進行封堵體混凝土澆筑，且在混凝土內預留固結灌漿管和回填灌漿、接縫灌漿系統。封堵體整體澆筑不留分縫，分兩個階段實施，第一階段將原襯砌混凝土表面鑿毛100mm 后直接澆筑一期封堵體混凝土，一期封堵體前段為實體混凝土，長4m，后段長21m，內設2.5m×3.0m 的灌漿廊道，分層施工并設置冷卻水管。封堵體混凝土達到穩定溫度且強度不小于設計強度70%后進行回填灌漿和接縫灌漿，回填灌漿結束7d 后，按照逐步加密的原則進行固結灌漿。固結灌漿結束后采用微膨脹混凝土對灌漿廊道進行回填。全部封堵體施工完成后，利用導流洞進口控制段預留管進行注水排氣。

5.2 細部設計

5.2.1 錨筋設計

為了增加封堵體新老混凝土之間的連接，根據一襯厚度以及連接要求，將一襯表面鑿毛處理后，植入直徑φ=28mm 鋼筋，總長度1.65m（伸入一襯0.65m）；錨筋按照間距2.0m×2.0m 布置，遇到圍巖系統錨桿可適當調整位置錯開布置。

5.2.2 排水設計

考慮下閘擋水后，存在閘門漏水的可能，而封堵體位于隧洞中段，需考慮施工期間擋水、排水措施保證正常施工。設計在封堵體前部設置一道2m高簡易混凝土圍堰，同時在圍堰和封堵體下部預埋一根帶閘閥的DN300 排水管，可以將施工期閘門漏水引排至下游，保證封堵體正常施工。另外為了保證正常擋水期封堵體不漏水，在封堵體廊道澆筑前將排水管采用水泥漿封堵。

5.2.3 灌漿設計

封堵體灌漿根據其作用主要分為固結灌漿、回填灌漿和分縫灌漿，在混凝土澆筑時預留相應的灌漿系統，并在上下游斷面處設置止漿片，防止漿液外流。

封堵體澆筑后，隨著混凝土熱量的釋放，其溫度逐漸達到穩定值，封堵體混凝土的收縮容易在拱頂位置以及新老混凝土接觸面上產生空隙，需要對這些部位進行回填或者接縫灌漿，增加其整體性。設計時在拱頂部位以及新老混凝土接觸面預留直徑φ=50mm 灌漿主管、直徑φ=32mm 支管以及排氣管，該工程待混凝土溫度達到穩定溫度14℃時且混凝土強度達到設計強度70%后進行回填和接縫灌漿。特別需要指出的是預留排氣管的必要性，排氣孔可以在灌漿過程中將空隙中的空氣排出，使得灌漿密實，另外為了保證實施過程中灌漿管的通暢，頂拱灌漿管均設置了一套備用管，灌漿壓力一般采用0.3～0.5MPa，可根據現場試驗調整。

回填和接縫灌漿結束7d 后，可以利用混凝土中預留φ=50mmPVC 固結灌漿管，在封堵體廊道中對圍巖進行固結灌漿，灌漿深度為入巖不小于5m，間距30°，排距3m，灌漿壓力一般1.0～1.2MPa。灌漿結束后，采用微膨脹混凝土對廊道進行封堵。

5.2.4 排氣設計

由于閘門至封堵體之間有約150m 的洞體，為了防止封堵后閘門進水時洞內發生氣爆，設計在閘門控制段預留6 根直徑φ=100mmPVC 管，其中三根排氣管管口高程高于校核洪水位，另外三根進水管管口高程控制在373.25m，利用其注水排氣，將洞內壓縮空氣排出。

封堵體屬于大體積混凝土，澆筑過程應避免或者減少溫度裂縫產生，消除封堵體擋水過程中的漏水隱患。為充分了解封堵體的工作情況，在容易產生裂縫的新老混凝土結合面上選擇典型斷面布置8支滲壓計和8 支測縫計進行監測，并做好資料記錄和分析，為工程安全運行提供判斷依據。

6 結語

導流洞封堵體作為水庫蓄水的關鍵部位，設計時應根據工程的具體情況，同時考慮施工難度，選擇合適的體型、計算邊界條件和參數，優化布置型式。實施過程要重視灌漿設計和溫度控制，減少封堵體裂縫的發生，避免運行期漏水。另外還要結合原型觀測數據，對封堵體運行狀態進行分析，保證工程運行安全■