某抽水蓄能電站上庫導流洞封堵設計

申美紅 吳平安 耿 靜

(華北水利水電大學，河南鄭州 450011)

0 引言

堵頭設計是水利工程施工中導流洞和施工支洞的重要組成部分。在目前的水工設計規范中關于堵頭結構的設計和穩定性計算方法沒明確的規定，國內外已建工程所采用的堵頭長度和結構形式也沒有統一標準。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，目前常用的方法主要為SL 279-2002水工隧洞設計規范(簡稱水利版)、DL/T 5195-2004水工隧洞設計規范(簡稱電力版)和經驗公式。

1 工程簡介

某抽水蓄能電站主要由下水庫及下水庫泄洪排沙閘壩、上水庫及上水庫鋼筋混凝土面板堆石壩、上下水庫進出水口、地下廠房洞室系統、地下輸水洞室系統及地面開關站等建筑物組成。上庫面板堆石壩施工期臨時度汛標準采用50年重現期大汛洪水，流量為72．00 m3/s，2011年下閘前度汛采用導流洞過流，壩體擋水，下閘后按水庫正常運行調蓄洪水。

2 導流洞布置

上庫導流洞位于上庫壩右岸山坡處，經趾板上游至壩體下游，軸線樁號0+065．76 m與15號趾板X線相交。導流洞洞身樁號為導0+000．00m～導0+322．61 m，洞身總長度約為322．61 m，為城門洞形，寬為3m～4m，高3．2m～4m，洞軸線方向由進口至出口為S300E～S650E。除巖石條件較好洞段未采取支護外，其余洞段進行了鋼筋混凝土支護。進口底板高程330．00 m，出口底板高程 313．00 m，底坡 5．27%。

導流洞分封堵段和未封堵段兩部分，封堵段樁號0+060 m～0+075 m，封堵長度15 m。導流洞封堵段上覆巖體厚度10 m～15．5 m，圍巖為弱風化的混合花崗巖，巖石較堅硬，巖石一般完整，未見有斷層和巖脈通過，圍巖基本穩定，為Ⅱ類圍巖。由于該洞段在壩趾趾板防滲帷幕線范圍內，施工時設計對該洞段進行了混凝土襯砌。混凝土/巖石抗剪斷強度f'=1．1，C=1．1 MPa。

3 導流洞堵頭位置的確定

為確保封堵效果良好，選定封堵段在上庫壩帷幕灌漿線與導流洞交叉位置。帷幕灌漿線與導流洞中心線相交的樁號為導0+065．76 m。

4 導流洞堵頭長度的確定

4．1 計算條件

由于封堵段位于導流洞的襯砌洞段，因此，計算選取開挖斷面和襯砌后的斷面分別進行計算。開挖斷面為4．0 m×4．0 m的城門洞形，相應的斷面面積為14．54 m2，襯砌后的斷面為3．0 m×3．0 m的城門洞形，相應的斷面面積為8．25 m2。偏安全考慮，計算斷面周長均不計頂拱長度。

堵頭段開始樁號為導0+060．00 m，底板高程為326．84 m，各種水位下的水頭及水壓力見表1。

表1 導流洞封堵體水頭及壓力表

地質力學參數:根據該抽水蓄能電站工程現場設代組地質提供的資料，上水庫導流洞堵頭的部位為微風化巖層，屬Ⅱ類圍巖。地質提供抗剪斷摩擦系數f'=1．1(混凝土/花崗巖)，粘聚力C'=1．1 MPa。混凝土層面間抗剪斷參數:根據DL/T 5108-1999混凝土重力壩設計規范，偏于安全考慮，混凝土層面間抗剪斷摩擦系數 f'=1．0，粘聚力 C'=1．0 MPa。

4．2 計算方法

1)水利版規范計算公式。SL 279-2002水工隧洞設計規范推薦方法，按“圓柱面沖壓剪切原則”確定封堵段長度。公式為:

其中，L為堵頭長度，m;P為封堵體迎水面承受的總水壓，MN;［τ］為容許剪應力，取0．2 MPa～0．3 MPa;A 為封堵體剪切面周長，m。

2)電力版規范計算公式。DL/T 5195-2004水工隧洞設計規范推薦方法，按“柱狀封堵體進行抗滑穩定計算”。公式為:

其中，γ0為結構重要性系數;ψ為設計狀況系數;γd為結構系數，取1．2;S(·)為作用效應函數(考慮荷載分項系數);R(·)為結構抗力函數;∑PR為滑動面上封堵體承受全部切向作用之和，對于施工支洞來說主要是內水壓力;∑WR為滑動面上封堵體全部法向作用之和，向下為正，對導流洞來說主要是封堵體自重、滲透壓力、圍壓等;fR為混凝土與圍巖的摩擦系數;CR為混凝土與圍巖的粘聚力;AR為除頂拱部位(90°～120°)外，封堵體與圍巖接觸面的面積。

如果堵頭周邊原導流洞襯砌混凝土挖除，則fR采用混凝土與圍巖的摩擦系數，CR采用混凝土與圍巖的粘聚力;如果堵頭周邊原導流洞襯砌混凝土不挖除，則fR采用混凝土與混凝土的摩擦系數，CR采用混凝土與混凝土的粘聚力。

3)經驗公式:

其中，D為混凝土堵頭直徑，堵頭為非圓時，取縱向或水平向較大值;H為作用水頭，m。

4．3 計算結果

1)按“圓柱面沖壓剪切原則”進行計算時:

按開挖斷面計算:L≥P/(［τ］×A)=0．671 6 ×14．54/［0．2 ×(4+2 ×2．76)］=5．13 m。

按襯砌斷面計算:L≥P/(［τ］× A)=0．671 6 ×8．22/［0．2 ×(3+2 ×2．13)］=3．82 m。

2)按“柱狀封堵體抗滑穩定計算法”進行計算時:

按開挖斷面計算:L≥3．8 m。

按襯砌斷面計算:L≥3．2 m。

3)按經驗公式計算時:

按開挖斷面計算:L=67．16 ×4/50=5．37 m。

按襯砌斷面計算:L=67．16 ×3/50=4．03 m。

計算結果見表2。

表2 三種堵頭計算方法結果表 m

就水利版和電力版的區別來看，水利版沒有考慮混凝土與圍巖的相互作用，而籠統的將［τ］取為0．2 MPa～0．3 MPa，因而結果不如電力版的合理;然而電力版公式由于考慮圍巖和混凝土之間相互作用較大，從而使得抗力較大，所求得封堵體的長度較小;綜合以往設計經驗，經驗公式在高水頭時結果一般偏于保守。

綜合以上三種計算結果封堵體承受最大水頭為67．16 m，如果采用計算結果5．37 m作為封堵體長度，則封堵體的水力梯度為67．16/5．37=12．51，此值較大。另外封堵體布置在大壩帷幕灌漿線上，因而對封堵的結構穩定及滲透穩定要求較高。因此以上計算成果，結合其他類似工程的實際情況，并考慮到滲透穩定，以封堵體最大水力梯度為5控制，取施工支洞堵頭長度為15 m。

5 導流洞封堵穩定復核

封堵段位于導流洞的襯砌洞段，因此封堵體形狀為斷面3．0 m×3．0 m的城門洞形長15．0 m的柱狀體結構。根據DL/T 5195-2004水工隧洞設計規范規定:封堵體應采用混凝土結構，其迎水面強度等級不宜低于C20，其他部位不宜低于C15。此工程中封堵體混凝土采用C20W8，水泥采用中熱水泥。分別按開挖斷面和襯砌后的斷面進行復核。

5．1 封堵體抗滑穩定復核

按混凝土重力壩抗剪斷公式進行復核。

考慮浮托力作用時，修正的抗剪斷公式表達形式為:

其中，L為安全系數(設計 K=3．0，校核 K=2．5)，在此偏安全取3．0;γ1為水的容重;γ2為混凝土的容重;f'為抗剪斷摩擦系數;ai為i部位界長上的有效接觸系數(周界接觸條件為混凝土與混凝土時，底部a=1．0，側壁和頂部口a=0，周界為混凝土和巖石時，底部口 a=1．0，側壁口 a=0．8 ～1．0，頂部 a=0)。

封堵體承受最大水頭為67．16 m水頭，封堵段長度15 m，開挖斷面面積14．54 m2，襯砌后斷面面積8．22 m2，封堵體剪切面周長(不計頂拱)開挖斷面為9．52 m，襯砌后斷面為7．26 m，容許剪應力取 0．2 MPa。

按開挖斷面復核結果:

按襯砌斷面復核結果:

由以上可知，按開挖斷面復核:封堵體長度為3．07 m。按襯砌斷面復核:封堵體長度為5．05 m。

因此，無論按開挖斷面還是襯砌斷面復核，封堵體15 m的長度滿足抗滑穩定的要求。

5．2 封堵體滲透穩定復核

根據計算結果及封堵體承受最大水頭，結合導流洞的布置及與上庫壩帷幕的相對位置關系等因素，以及封堵洞段的圍巖地質條件，綜合考慮封堵體結構抗滑穩定和滲透穩定，最終選取尾流洞封堵體長度為15 m，為導流洞開挖斷面寬(高)度的3．75倍。封堵段的最大水力梯度為4．48，小于張性節理裂隙密集帶和斷層破碎帶的臨界水力梯度5(經驗值)，滿足滲透穩定要求。

6 結語

導流洞堵頭是按永久水工建筑物進行設計。設計洪水標準為200年一遇，設計洪水位393．60 m;校核洪水標準為1000年，校核洪水位394．00 m。為保證堵頭安全運行，在堵頭設計上，除按上述設計標準進行設計外，還進行必要的一些安全措施儲備:導流洞堵頭位置選擇在圍巖條件較好的Ⅱ類～Ⅲ類圍巖，無破碎帶、無溶洞、無斷層等洞段上;堵頭段封堵施工期進行固結灌漿對圍巖進行加強處理;采用低熱微膨脹混凝土，解決溫控和防裂問題;堵頭內布置預埋管，解決頂拱回填難題;并采用接縫灌漿以增加堵頭段混凝土與圍巖之間的粘結力;另外封堵體最大水力梯度按不超5控制封堵體長度，保證了封堵體滲透穩定。通過這些設計措施，堵頭的安全性更大，能滿足擋水及滲透穩定的要求。

［1］DL/T 5108-1999，混凝土重力壩設計規范［S］．

［2］SL 319-2005，混凝土重力壩設計規范［S］．

［3］SL 279-2002，水工隧洞設計規范［S］．

［4］DL/T 5195-2004，水工隧洞設計規范［S］．

［5］甘文喜．水工隧洞堵頭設計探討［J］．人民長江，2001(5):34-36．

［6］董志宏，丁秀麗．大型水電工程導流洞封堵體穩定性分析［J］．長江科學院院報，2011(2):50-55．

［7］楊靜安，伍鶴皋．大型水電站導流洞堵頭結構與穩定分析［J］．水電能源科學，2007(1):94-97．

［8］羅緯邦，牛萬吉．某水利樞紐工程導流洞封堵體設計與施工［J］．水利水電技術，2010(12):50-53．