大型水電站導流洞堵頭結構與穩定性分析

谷明強

（中國葛洲壩集團股份有限公司三峽分公司，湖北 宜昌 443002）

導流洞是大多山區狹窄河流水電站樞紐工程施工的主要導流方式，隨著我國水電站建設的發展，導流洞的規模不斷刷新，渡汛標準和下閘后的擋水水頭越來越高，對導流洞堵頭的要求也越來越高。導流洞設計對各種因素考慮是否周全，不僅影響導流工程的投資，而且與工程的建設安全、施工進度和投產發電等都息息相關。導流洞雖然是臨時建筑物，但對其進口的體形及結構設計亦應認真對待，更應該理解導流洞堵頭的重要性，保障其穩定性，保障大型水電站的順利施工。

通過對國內已建和在建大型工程的調查，大型導流洞在開挖支護施工過程中，多數曾發生規模不等的塌方或工程事故，有些水電站由于地質條件和不合理開挖支護等原因，出現了特大型塌方事件，造成重大損失。導流洞的施工期、運行期到下閘后堵頭完成前的安全對整個工程的安全影響較大。導流洞堵頭設計和施工特點具有特殊性，設計施工中必須全面做好工作。

導流隧洞在任何一個工程中導流洞堵頭施工后，都會用永久性混凝土進行封堵，在運行過程中堵頭會同周圍巖石或混凝土連成整體，共同承擔由作用水頭產生的水壓力。導流洞堵頭的封堵作為工程中永久性建筑物，雖然堵頭的工程量相對較小，但作為水庫蓄水的主要控制條件之一，對工程的安全運行有著極其重要的作用，封堵工作是否能夠順利、及時地完成，對整個后期的工程進度有著極其重要的意義。所以，對大型水電站更應該做好導流洞堵頭結構和穩定性工作。

對導流洞堵頭的設計工作是關鍵，但堵頭的位置及施工時限更應該認真的去分析和研究，尤其是堵頭位置設計是施工的基礎。堵頭位置一般是根據導流洞開挖后揭示的地質情況選擇在地質較好的洞段，而忽略了其它地質構造的影響。例如，如果在堵頭與帷幕間有漏水通道，就會造成堵頭后有承壓水出現。所以，導流洞的堵頭不宜設在庫內，最好設在壩軸線處，避免壩軸線與堵頭間有未探明的地質構造，使庫水繞過堵頭漏入下游，以便萬一存在未探明的漏水通道也可以通過加深帷幕或延長帷幕線進行補救。導流洞的封堵閘門關閉后，堵頭的施工時限往往被忽視。下閘后忙于慶功，不能及時施工，往往忽視了可能存在的潛在危險。水東水電站就是一個很大的教訓，從下閘到出現事故有15天時間，若在下閘前做好充分準備，盡快完成第一段堵頭施工，就可避免推遲第一臺機組的發電時間。

堵頭長度作為導流洞堵頭設計的核心,一般而言,堵頭承受的基本荷載有內水壓力、滲透壓力、自重、地震荷載以及周邊的圍巖壓力的等。導流洞堵頭的長度是通過計算確定的，其長度一般都在三倍洞徑(或洞高)左右，但也要精密的計算。雖然有限元法在工程界得到廣泛的使用，但導流隧洞封堵堵頭長度的確定，一般是根據經驗公式。堵頭施工大多數分兩段，在不增大堵頭投資的前提下，對堵頭的施工程序和進度必須進行周密的計劃和安排，縮短下閘到第一段堵頭形成的時間間隔，使第一段堵頭能夠盡快形成。這就要求設計者不僅要對堵頭受力進行詳細的分析計算，而且要采取一些新技術、新材料、新方法，做好相應的施工組織設計并提出時限要求，以避免出現事故造成損失。

導流洞封堵堵頭的形式有瓶塞形、截錐形、短釘形和拱形。這些形式各有優缺點，在施工過程中應根據具體情況分析，具體選用。截錐形堵頭一般在堵頭邊墻和底板設置鍵槽，導流洞開挖過程中將鍵槽一并開挖完成,然后按導流洞結構進行混凝土襯砌，在導流洞下閘以后，原則上需將鍵槽段導流洞結構襯砌混凝土鑿除后才進行堵頭混凝土澆筑，但在實際施工過程中，往往因為鑿除困難和工期較緊等原因，沒有將該段混凝土鑿除，僅將該段混凝土面鑿毛，并在邊墻和底板布設錨筋，保證新老混凝土之間、堵頭和圍巖之間結合緊密。可見，堵頭能將壓力較均勻地傳至洞壁，受力情況好，被廣泛采用。瓶塞形堵頭一般采用單段、單齒結構，在上游水推力作用下，混凝土堵頭對圍巖形成擠壓。同時，混凝土堵頭伴隨軸向壓縮變形，徑向將產生膨脹效應，對圍巖形成擠壓，受到由于變形壓力產生的附加彈性抗力的作用，并由此在混凝土與圍巖接觸面上產生摩擦阻力。由于瓶塞形堵頭施工簡單，受力狀況較好，所以導流洞堵頭較多采用此種體型。短釘形開挖較易控制，但釘頭部分應力較集中，受力不均勻，不常采用。拱形堵頭混凝土量少，但對巖石承壓及防滲要求較高，可用于巖體堅固、防滲性較好的地層。

施工過程中，堵頭灌漿主要進行固結灌漿、回填灌漿、接觸灌漿和接縫灌漿。一般情況下，堵頭需設置灌漿廊道，回填灌漿、接觸灌漿和接縫灌漿均在廊道內進行。固結灌漿是對堵頭外部圍巖的加固處理，是保障堵頭穩定性的重要方面。回填灌漿則是因為堵頭混凝土在澆筑完成后，由于重力作用和混凝土的干縮，堵頭混凝土與洞壁巖石或堵頭混凝土與導流洞襯砌混凝土之間會形成一個空腔，所以必須做好工作。回填灌漿在堵頭混凝土達到設計強度的70%后進行，灌漿管預埋在堵頭混凝土中，通常采用硬塑料管，并在拱形、壓力方面都有嚴格的要求。在堵頭混凝土達到穩定溫度以后，由于重力作用和混凝土的干縮，堵頭混凝土與洞壁巖石或堵頭混凝土與導流洞襯砌混凝土之間會有縫隙，所以堵頭往往還要進行接觸灌漿。接觸灌漿管預埋在堵頭混凝土中，灌漿管通常采用硬塑料管，一般情況下，灌漿范圍為拱頂及側墻。接縫灌漿是對堵頭分段澆筑處的灌漿，如果堵頭不設橫縫，則不需進行接縫灌漿。接縫灌漿在混凝土堵頭全部澆筑完成，并且混凝土溫度降到穩定溫度后進行。這些灌漿都需要嚴格分清需要的灌漿壓力，任何一個環節都不容忽視。

由于堵頭混凝土體積較大，所以在澆筑過程中采取相應的溫度控制措施是非常必要的。主要考慮兩個方面：一是，堵頭是否需要進行初期通水冷卻；二是，在堵頭最后一層混凝土澆筑完成后需要多長時間才能達到穩定溫度,即需要通水多長時間才能開始接觸灌漿和接縫灌漿。另外，更應該注意的是根據現場情況，確定冷卻時間。

導流洞封堵堵頭事關工程安全運行及效益發揮，是大型水電站關鍵的水工建筑物，因此，無論是設計還是施工，均應高度重視、認真對待。但在實際施工工作中應根據施工情況，具體問題具體分析完成施工，不應該保守的根據一般的計算公式，甚至經驗方式完成。

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