貴州省安順市石朱橋水庫導流洞堵頭設計

宋思諭，張 棟

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

石朱橋水庫位于貴州省安順市境內(nèi),水庫主要由混凝土面板壩、提水泵站、供水管道及下游灌區(qū)管線組成,最大壩高37.0 m,工程等別為Ⅲ等,工程規(guī)模為中型。水庫正常蓄水位為1284.00 m,校核洪水位1286.62 m,興利庫容693.00 萬m3,總庫容1264.00 萬m3。

2 導截流平面布置

本工程導流方式為全段圍堰法+隧洞導流形式。本工程為左岸導流隧洞,進口段明渠+進口閘門井長度為56.32 m,出口段明渠長度為40.65 m,洞身段長約217.0 m,進口底板高程為1255.90 m,出口高程為1254.70 m,橫斷面形式為城門洞型,尺寸為2.5 m×2.6 m（底×高）,底坡為0.45%[1]。

3 導流洞堵頭設計

3.1 導流洞封堵標準

本課題涉及到的工程整體達到Ⅲ等中型規(guī)模,其中主要水工、次要水工以及導截流建筑物級別分別是三級,四級和五級,導流洞堵頭則屬于永久建筑物,直接與水庫連通形成封堵體,和擋水建筑物在設計級別、穩(wěn)定及防滲方面都是相同的,全部都屬于三級水工建筑物,其中選取的設計洪水標準以及校核洪水標準分別為50年、1000年。

3.2 堵頭段地質(zhì)條件

導流隧洞上覆山體厚度19 m～45 m,處于地下水位之下,分布T1d1 薄層灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r夾少量泥灰?guī)r及泥巖,受風化影響巖體完整性較差,強度較低,為Ⅳ類圍巖,圍巖自穩(wěn)時間較短,易產(chǎn)生掉塊、變形破壞。建議圍巖參數(shù)K0=2 MPa/cm～4 MPa/cm,堅固性系數(shù)f=3～4。工程所處范圍內(nèi)地震基本烈度達到Ⅵ度,反應譜特征周期達到0.35 s,動峰值加速度達到0.05 g,整個范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)具有較好穩(wěn)定性。

3.3 堵頭段位置的確定

根據(jù)規(guī)范要求,如果導流隧洞軸線需要穿越擋水建筑物防滲帷幕的情況下,要求在防滲帷幕線上完成封堵體的設置,與壩基防滲帷幕連接成防滲系統(tǒng)。本工程導流洞軸線穿過帷幕灌漿線,但是隧洞后期通過“龍?zhí)ь^”銜接改造為永久取水放空洞,如果堵頭位置布置于帷幕灌漿軸線與導流洞相交位置,勢必會造成取水放空洞也被封堵上,從而失去取水放空洞的功能。結(jié)合工程樞紐結(jié)構(gòu)物布置,堵頭位置布置于導流隧洞與取水放空洞“龍?zhí)ь^”相交處,堵頭布置位置見圖2。

圖1 堵頭位置布置圖

3.4 堵頭型式的確定

堵頭比較常見的類型包括短釘形（鍵槽形）、拱形、截錐形（楔形）以及球殼型等。其中截錐形（楔形）堵頭再向洞壁圍巖傳動壓力作用力是更加均勻,同時還具有更好的受力條件,但過流期流態(tài)不好；短釘形（鍵槽形）堵頭易于控制開挖,但應力主要分布在釘頭位置,構(gòu)成不均勻受力；柱形堵頭只借助于巖壁圍巖的承受作用充分性不足,因此要求借助于摩擦作用力、本身重力和粘結(jié)力才可以維持穩(wěn)定性；填充拱形堵頭時只需要較少的材料,然而對于圍巖本身的承受作用和防滲漏提出更高要求,可用于圍巖堅固、防滲性較好的地層。

3.5 堵頭長度的計算

3.5.1 封堵體長度計算工況

（1）正常工況：水庫內(nèi)蓄水使水位達到正常位置的情況下；

（2）偶然工況：水庫內(nèi)蓄水池水位達到校核洪水位的情況下；

（3）地震工況：水庫水位蓄至正常蓄水位時,疊加地震效應后,堵頭能正常運行。本工程地震基本烈度為Ⅵ度,小于Ⅶ度,不再驗算地震工況。

本工程正常蓄水位為1284.00 m,校核洪水位為1286.62 m,堵頭段最低底板高程為1255.50 m。

3.5.2 計算假定

對全市所有作業(yè)點進行作業(yè)能力評估和安全等級評估，不達標的下發(fā)限期整改通知書，未達到整改要求的不予發(fā)放作業(yè)彈藥、不予請示空域。現(xiàn)在全市15個防雹作業(yè)點均達標，并通過了公安、安監(jiān)和氣象部門的聯(lián)合驗收。所有的標準化作業(yè)點均安裝了可視化監(jiān)控系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，并為作業(yè)點建設光纖網(wǎng)絡，實現(xiàn)作業(yè)裝備彈藥市、縣、作業(yè)點三級聯(lián)合監(jiān)管和公安、安監(jiān)等部門齊抓共管的局面，確保作業(yè)安全和裝備彈藥儲存安全。

（1）將圍巖以及堵頭看作為剛體,堵頭擋水運行之后能夠向圍巖和混凝土或者不同混凝土相互接觸的表面均勻性地傳遞水壓力。

（2）假設堵頭圍巖中并不具有沿基巖內(nèi)部滑動的軟弱結(jié)構(gòu)面。

（3）簡單化堵頭為等斷面平堵頭,堵頭底板受平均推力,同時不考慮堵頭段頂拱與圍巖之間回填灌漿對堵頭體所產(chǎn)生的粘結(jié)作用,圓形斷面頂拱120°回填灌漿范圍不考慮,底面、側(cè)面按照周長的1/3 計算。

（4）堵頭所受荷載主要有內(nèi)水壓力,滲透壓力,自重,圍巖壓力。地震動反應譜特征周期為0.35 s,相應的地震基本烈度小于Ⅶ度,不考慮地震荷載。堵頭的安全條件為中間位置剪應力的平均值大于巖石和混凝土之間的容許剪應力。將封堵體視為靜水作用下的剛體,剪應力沿周界均勻分布。

（5）計算過程中把封堵體楔形槽作為一種安全儲備,簡化為柱形堵頭計算。

3.5.3 堵頭長度計算方法

（1）根據(jù)《水利水電工程施工組織設計手冊》規(guī)定,堵頭的長度和穩(wěn)定性,抗剪斷強度公式（安全系數(shù)法）：

式中：L 為堵頭長度,m；K 為安全系數(shù): 取K=3.0；P 為水平壓力,P=ρghA,kN；S 為周長；A 為堵頭橫截面面積,m2；γ為混凝土容重:γ=24 kN/m3；f'為混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù),f'取1.0；λ為抗剪斷面積有效系數(shù),取值區(qū)間為0.7～0.75,需要考慮到的因素包括無法更好地清洗處理接觸表面、頂部位置接觸不好、混凝土收縮產(chǎn)生干擾、縫隙灌漿效果不好等；C'為混凝土與巖石（或混凝土）接觸面的抗剪斷凝聚力。

（2）根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》（SL 279-2016）,堵頭的長度和穩(wěn)定性,抗剪斷強度公式（安全系數(shù)法）：

①KS ≤R；②S=∑P；③R= f'∑W ＋C'∑λiAi

式中：R 為封堵體的承載力設計值；K 為安全系數(shù):取值為3.0；∑P 為封堵體承受的全部荷載效應對滑動面的最大切向分值,kN；S 為荷載效應設計值；∑W 為封堵體承受的全部荷載效應對滑動面的最大法向分值,向下為正,kN；f'為混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù),f'取1.0；C'為巖石和混凝土或不同混凝土相互接觸表面的抗剪斷凝聚力；Ai為封堵體側(cè)表面以及底面和混凝土或圍巖相結(jié)合的表面面積,不包括頂拱位置,m2；λi為封堵體側(cè)表面以及底面和混凝土或圍巖相結(jié)合的有效面積系數(shù),不包括頂拱位置:λ底=1.0,λ側(cè)=0.8。

由以上3 個公式變形后得到：

L ≥KP×1000/［f'Aγ+（C'bλ底+2C'hλ側(cè)）×1000］

式中：L 為堵頭長度,m；K 為安全系數(shù): 取K=3.0；P 為水平壓力,P=ρghA,,kN；A 為堵頭橫截面面積；γ為混凝土容重:γ=24 kN/m3；f'為混凝土與混凝土的抗剪斷摩擦系數(shù),f'取1.0；b 為隧洞底寬,m；h 為隧洞直墻高,m；λ為除頂拱部位外,封堵體底面、側(cè)面與圍巖或混凝土接觸面的有效面積系數(shù):λ底=1.0,λ側(cè)=0.8；C'為混凝土與巖石（或混凝土）接觸面的抗剪斷凝聚力,C'取0.85 MPa。

（3）前述兩公式通過變形后是等價的。

得到：

L=KP/（Aγf'+SλC'）=KP×1000/［f'Aγ+（C'bλ底+2C'hλ側(cè)）×1000］

3.5.4 計算結(jié)果

水頭H=校核洪水位高程（H）－堵頭下游端底板高程（H底板）

經(jīng)計算,結(jié)果見表1、表2。

表1 導流洞堵頭水平壓力P 計算結(jié)果表

3.5.5 堵頭長度的確定

本工程導流洞封堵體,布置于隧洞內(nèi),導流隧洞采用全斷面襯砌支護,封堵體與隧洞襯砌搭接,搭接長度應不小于2.0 m。

通過上文計算得到,堵頭長度L ≥1.10 ＋2.0=3.10 m 時,可滿足大壩設計洪水位（正常蓄水位）、校核洪水位情況下的水頭作用,并考慮一定安全裕度,結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)設計,導流洞堵頭長度實際取為7.0 m。

3.5.6 堵頭結(jié)構(gòu)設計

封堵體混凝土采用微膨脹混凝土。微膨脹混凝土可以儲備膨脹性能,使其具備微變形能,可以將對收縮進行補償?shù)哪芰Τ浞职l(fā)揮出來；襯砌混凝土較強的約束可以使襯砌和堵頭混凝土兩者之間的連接長度進一步延長,從而提升兩種混凝土相接觸表面的抗剪強度。采用C20 微膨脹混凝土澆筑,可以取消堵頭與邊墻的接觸灌漿,但為保證堵頭與隧洞頂拱混凝土接觸緊密,堵頭頂拱作回填灌漿。在封堵體頂部預埋回填灌漿管,從下游端面引出,預埋管為φ50 PVC 管,縱向主管雙排布置,排距1.0 m,徑向支管雙孔布置,排距2.0 m。上下游端面布置環(huán)向止水密封。

封堵體楔形形狀為：正常洞斷面,長度1.0 m,尺寸2.5 m×2.6 m（寬×高）,通過1∶2.5 的坡度漸變到最大洞截面,長度1.0 m,尺寸3.3 m×3.4 m（寬×高）,接著由1∶7.5 的坡度漸變到正常洞截面,長度3.0 m,尺寸2.5 m×2.6 m（寬×高）,最后延長2.0 m。設計見圖2。

圖2 堵頭結(jié)構(gòu)設計圖

4 結(jié)語

導流洞封堵體設計受地質(zhì)條件、導流洞襯砌支護型式等的影響,為保證堵頭施工后的密封性,堵頭長度的選定、填充材料的選用和回填灌漿的設計尤為重要。導流隧洞后期改建為取水放空洞,堵頭位置布置于導流洞與龍?zhí)ь^結(jié)合處是合適的。截止目前,石朱橋水庫導流隧洞堵頭已正常運行5年,未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,為水庫的安全運行奠定了基礎。