小中河水電站導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計(jì)與施工

扶志斌

（湖南建工集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)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(zhǎng)度124.00 m，最大壩高40.00 m。為一高水頭、長(zhǎng)引水式電站。設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為22 MW，額定水頭833.6 m。

施工導(dǎo)流采用一次攔斷河床時(shí)段圍堰擋水的隧洞導(dǎo)流方式。時(shí)段圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)為時(shí)段11月～次年4月頻率10%的洪水，導(dǎo)流洞運(yùn)行期設(shè)計(jì)最大泄量約為38 m3/s，最大流速約為10 m/s。導(dǎo)流洞布置在右岸，全長(zhǎng)271.19 m。洞身段進(jìn)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(jìn)水口結(jié)構(gòu)設(shè)封堵門(mén)槽，封堵閘門(mén)采用平板鋼閘門(mén)。

2 堵頭設(shè)計(jì)

2.1 堵頭的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

導(dǎo)流洞堵頭為永久建筑物，其設(shè)計(jì)級(jí)別、穩(wěn)定及防滲要求等均等同于面板堆石壩，為4 級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，設(shè)計(jì)洪水位為1562.00 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 年一遇，校核洪水位為1562.22 m。

導(dǎo)流洞堵頭屬永久工程，應(yīng)與大壩防滲帷幕結(jié)合成整體。根據(jù)面板堆石壩結(jié)構(gòu)及其帷幕布置，從平面上看，導(dǎo)流洞從帷幕以下經(jīng)過(guò)，洞頂距原設(shè)計(jì)帷幕底線5 m～8 m（垂直距離）。因?yàn)閷?dǎo)流洞距帷幕線較近，在導(dǎo)流洞開(kāi)挖施工中，圍巖完整性會(huì)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(dǎo)流洞與大壩趾板平面相交位置。堵頭施工完成后在導(dǎo)流洞內(nèi)進(jìn)行帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿，并將堵頭包裹在內(nèi)，與防滲帷幕結(jié)合成整體。

2.2 堵頭段地質(zhì)條件

導(dǎo)流洞埋深2.0 m～67 m，根據(jù)開(kāi)挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況，導(dǎo)流洞圍巖巖性為灰白色、肉紅色中細(xì)粒花崗巖，中等風(fēng)化至微風(fēng)化，巖石堅(jiān)硬，節(jié)理少量發(fā)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(dǎo)流洞進(jìn)、出口段各25 m長(zhǎng)范圍，采用鋼筋混凝土襯砌，其余洞段采用噴錨襯砌。

導(dǎo)流洞永久堵頭計(jì)算地質(zhì)參數(shù)建議值：混凝土與Ⅱ類圍巖抗剪斷摩擦系數(shù)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(zhǎng)度計(jì)算

a）計(jì)算工況

本工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)水頭33.04m，校核水頭33.26 m。

永久堵頭抗滑穩(wěn)定根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5195-2004）承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算方法，按以下2 種工況進(jìn)行計(jì)算：基本組合，上游設(shè)計(jì)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(jì)算公式

作用效用函數(shù)：S（·）=∑PR

抗力函數(shù)：R（·）=fR∑WR+CRAR

式中：∑PR為滑動(dòng)面上封堵體承受的全部切向作用之和，kN；∑WR為滑動(dòng)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(shù)；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(yīng)組合按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式計(jì)算：

承載能力極限狀態(tài)基本組合表達(dá)式：

承載能力極限狀態(tài)偶然組合表達(dá)式：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅲ級(jí)的結(jié)構(gòu)采用0.9；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，對(duì)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(tài)基本組合的結(jié)構(gòu)系數(shù)，取為1.2；γd2為承載能力極限狀態(tài)偶然組合的結(jié)構(gòu)系數(shù)，取為1.2；αk為幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；fk為材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值；γm為材料性能的分項(xiàng)系數(shù)；Gk為永久作用的標(biāo)準(zhǔn)值；γG為永久作用的分項(xiàng)系數(shù)；Qk為可變作用的標(biāo)準(zhǔn)值；γQ為可變作用的分項(xiàng)系數(shù)；Ak為偶然作用的代表值。

設(shè)堵頭的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、堵頭的面積A=3.7708 m2，封堵體剪切面周長(zhǎng)，不計(jì)頂拱長(zhǎng)度，周長(zhǎng)S=4.2 m。

偶然組合時(shí)：

解得：L=0.77 m。

同樣可算出基本組合時(shí)：L=0.90 m。

經(jīng)計(jì)算，堵頭長(zhǎng)度為0.9 m即可滿足穩(wěn)定要求。實(shí)際布置時(shí)，為了便于與大壩防滲帷幕結(jié)合成整體，確定堵頭長(zhǎng)度為10.4 m。

類比國(guó)內(nèi)已建類似工程，堵頭長(zhǎng)度多數(shù)是洞徑的2.5倍～3倍、擋水水頭的1/3～1/4，本工程導(dǎo)流洞永久堵頭設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(zhǎng)度取10.4 m是合適的。

2.4 堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

堵頭需滿足穩(wěn)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(dǎo)流洞斷面較小，周邊圍巖地質(zhì)條件較好，結(jié)合計(jì)算分析，封堵體采用等截面素混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，抗?jié)B等級(jí)為W6，為增加防滲效果，在堵頭上下游設(shè)置兩道止水銅片。導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 施工組織

堵頭回填施工程序：清除松動(dòng)巖石并用高壓水沖洗干凈→布設(shè)灌漿系統(tǒng)→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(dǎo)流洞封堵處）主壩趾板帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿。

3.1 施工準(zhǔn)備

1）導(dǎo)流洞進(jìn)水口設(shè)有進(jìn)水口結(jié)構(gòu)和進(jìn)水口閘門(mén)，封堵蓄水時(shí)，由進(jìn)水口閘門(mén)下閘封堵，進(jìn)行永久堵頭的施工。

2）先將導(dǎo)流洞內(nèi)積水抽干后，檢查全洞圍巖穩(wěn)定性，如發(fā)現(xiàn)安全隱患應(yīng)先進(jìn)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(duì)松動(dòng)圍巖應(yīng)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(qiáng)混凝土與基巖之間的粘聚性，混凝土澆筑前鋪設(shè)一層5 cm厚水泥砂漿。混凝土采用混凝土泵入倉(cāng)，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(dòng)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(dá)到穩(wěn)定溫度后進(jìn)行灌漿，砼內(nèi)部埋設(shè)間距1.2 m冷卻水管。

3.3 灌漿設(shè)計(jì)施工

灌漿由預(yù)埋灌漿管進(jìn)行，堵頭混凝土的強(qiáng)度需達(dá)到70%以上、穩(wěn)定溫度≤17℃后，再進(jìn)行回填、接觸灌漿，灌漿壓力0.2 MPa～0.3 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露的地質(zhì)資料，圍巖為微新巖石，無(wú)需進(jìn)行固結(jié)灌漿。回填灌漿和接觸灌漿均采用預(yù)埋管，引至堵頭下游端進(jìn)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(shè)回填灌漿管。回填灌漿在頂拱90°范圍內(nèi)進(jìn)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(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上后進(jìn)行。在設(shè)計(jì)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(chǎn)生的與基巖面之間的縫面，堵頭混凝土與圍巖間應(yīng)進(jìn)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(dá)到穩(wěn)定溫度后進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)流洞堵頭受地形、地質(zhì)條件及大壩帷幕灌漿位置的影響，堵頭為永久建筑物，其設(shè)計(jì)級(jí)別、穩(wěn)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(guān)鍵。小中河水電站下閘蓄水發(fā)電約8年時(shí)間，導(dǎo)流洞堵頭未出現(xiàn)滲水和漏水現(xiàn)場(chǎng)，為水電站大壩的安全運(yùn)行提供了有力保障。