南歐江七級水電站導流洞封堵體設計及穩定性分析

曹登榮　孫文召　李劍萍

摘要：為確保導流洞永久封堵體的施工安全、降低施工風險，南歐江七級水電站采用臨時堵頭+永久堵頭的方式。對永久封堵體的抗滑穩定進行計算，按照承載力極限狀態分別從襯砌混凝土與堵頭混凝土接觸面、襯砌混凝土與圍巖接觸面兩個方面，對3種工況下的荷載情況綜合考慮。結合有限元對封堵體的應力應變分析成果，在封堵體迎水面布置鋼筋網，并對導流洞永久封堵體全斷面增設錨桿。結果表明：永久封堵體的長度取38 m，完工后已安全度過數個汛期，監測數據顯示封堵體結構處于穩定狀態。

關鍵詞：導流洞； 臨時堵頭； 永久堵頭； 抗滑穩定； 有限元； 南歐江七級水電站

中圖法分類號：TV554

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.007

文章編號：1006-0081（2023）12-0042-06

0引言

導流洞永久堵頭屬永久建筑物，其設計標準與大壩設計標準相同［1］。堵頭的設計、施工進度以及施工質量直接影響水電站發電效益和電站運行期的安全［2］。導流洞能否順利安全地完成下閘封堵，直接關系到蓄水發電目標能否實現［3］。此外，由于永久堵頭施工工藝復雜，施工工期較長，很難保證在汛前完成施工［4］。因此，目前常用的方法是對堵頭采用分層分段施工。近年來，在糯扎渡、大古、萬家口子等水電站導流洞封堵施工時采用了臨時堵頭的方法［5-7］，為解決此問題提供了一個新的思路。

本文在總結了國內外導流洞封堵體設計方案和計算方法的基礎上，采用較為少見的臨時堵頭+永久封堵體的設計方案。與傳統堵頭施工相比，一般情況下臨時堵頭僅需要進行回填灌漿，不需要進行帷幕灌漿和固結灌漿，可采用連續澆筑的方式在下閘后迅速施工，從而為永久堵頭的安全施工創造干地條件，提升永久堵頭的施工質量，降低安全風險。此外，臨時堵頭的設置還可為水庫蓄水搶占工期，從整體上提升工程的經濟性。本文以南歐江七級水電站為例，介紹了導流洞封堵方案的設計思路、計算方法和細部設計。

1工程概況

南歐江七級水電站位于老撾豐沙里省境內，為Ⅰ等大（1）型工程，水庫校核洪水位636.76 m，設計洪水位和正常蓄水位均為635.00 m。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、左岸引水發電系統、右岸泄洪放空洞等組成。工程采用圍堰一次斷流，基坑全年施工的隧洞導流方式。導流建筑物等級為4級，導流設計標準為20 a一遇洪水，相應設計流量為2 290 m³/s，調洪后流量為1 434 m3/s。工程共布置1條導流洞，位于右岸，進口底板高程511 m，出口底板高程509 m。進口明渠長約50 m，末端設進水塔，進水塔尺寸為18 m×16 m（長×寬），塔頂平臺高程為543.00 m，高約32 m，進水塔內設置1孔1扇封堵閘門及其啟閉機。導流洞洞身長865.000 m（包括明洞段），坡度i=0.237%。出口明渠長123.125 m，左側為重力式擋墻，右側為貼坡式混凝土。

2封堵體方式和堵頭設置

導流洞封堵體關系到整個工程的運行安全，結構設計主要有結構穩定性與防滲方面的要求。根據南歐江七級水電站的下閘蓄水規劃，導流洞封堵工期較為緊張，高水位情況下閘門可能漏水甚至出現部分損傷，進而影響洞內人員安全，并可能造成下閘蓄水失敗的情況［8］。南歐江七級水電站導流洞采用臨時堵頭+永久封堵體的方式。導流洞下閘后20 d內完成導流洞臨時堵頭施工，為永久封堵體施工和水庫蓄水創造條件。結合大壩帷幕線的布置，導流洞臨時堵頭位于樁號D0+315 m～D0+330 m，導流洞永久封堵體布置于大壩帷幕灌漿線，位于隧洞中部的Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ類圍巖段，其樁號為D0+330 m～D0+368 m，最大開挖斷面寬10.0 m，高14.3 m。

3導流洞封堵體抗滑穩定計算

目前，堵頭結構一般根據其所承擔的水頭進行設計，并采用工程經驗類比法或參考極限抗滑、抗沖切公式校核，設計結果往往過于簡單和保守［9］。與傳統計算方法不同，本文進行堵頭穩定計算時，按照承載力極限狀態，分別從襯砌混凝土與堵頭混凝土接觸面、襯砌混凝土與圍巖接觸面兩個方面，對3種工況下的荷載情況進行堵頭長度計算，并采用有限元法進行封堵體應變分析，對封堵體的迎水面、四周等應力應變較為集中的區域進行細化設計，確保設計方案的安全可靠。

3.1基本假定

為了開展封堵體抗滑穩定性計算，基本假定如下：① 堵頭擋水后，水壓力經堵頭傳遞到堵頭與圍巖或堵頭與原襯砌混凝土的接觸面上；② 堵頭與原襯砌混凝土及圍巖均假定為線彈性連續體；③ 經過鑿毛后，堵頭與原混凝土之間的接觸面是連續的；④ 原混凝土與圍巖之間的接觸面是連續的；⑤ 圍巖及堵頭內滲透水壓力忽略不計；⑥ 剪應力沿接觸面均勻分布；⑦ 實際存在的地應力、圍巖高低不平及堵頭前段的楔形體布置等作為安全儲備，不參與計算。

3.2臨時堵頭抗滑穩定計算

臨時堵頭長度按兩種工況計算：① 大壩死水位590 m（永久堵頭施工期間計劃蓄至死水位）；② 施工期間壩體擋水枯期時段（12月到次年5月）設計標準P=0.5%壩前水位584.90 m，550 m水位（泄洪放空洞底板高程）起調。以上兩種工況均分別按襯砌混凝土與堵頭混凝土接觸和襯砌混凝土與圍巖接觸計算堵頭長度計算，荷載組合為水推力+堵頭自重+揚壓力，結果見表1。經分析計算，導流洞臨時堵頭長度取15 m，臨時堵頭結構見圖1。

3.3永久封堵體抗滑穩定計算

永久堵頭的抗滑穩定計算主要對封堵體的校核水位、設計洪水位工況和正常蓄水位遭遇地震工況進行。導流洞永久封堵體是永久建筑物，其設計級別與大壩的設計級別一致，均為1級建筑物。臨時堵頭的設置主要為永久封堵體的施工和水庫蓄水創造條件。為了快速施工，未對臨時堵頭進行固結灌漿和帷幕灌漿，其耐久性和抗滲性能無法滿足永久建筑物的需求，且其與永久堵頭接觸面未進行接縫灌漿以形成整體，故該工程永久封堵體抗滑穩定計算時未考慮臨時堵頭的擋水作用。

表2列出了永久封堵體計算工況及主要荷載組合。

抗滑穩定分析主要考慮兩部分：① 封堵體混凝土與圍巖之間的抗滑穩定性；② 封堵體混凝土與襯砌之間的抗滑穩定性。按照NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》有關規定進行封堵體的抗震計算。主要考慮地震慣性力和地震動水壓力。主要計算參數取值見表3。

4永久封堵體有限元計算

根據已建工程封堵體的應力監測成果分析，封堵體受力時出現剪力不均和應力集中情況。對南歐江七級水電站工程的高水頭及大斷面封堵體，宜采用有限元法進行封堵體的應力應變分析，為封堵體具體體型設計提供必要的科學依據。

4.1基本假定

為了開展封堵體應力應變分析，基本假定如下：① 假定混凝土、圍巖均為各向同性均質線彈性體；② 混凝土與圍巖為接觸良好的線彈性體；③ 圍巖及封堵體內滲透水壓力忽略不計；④ 初始地應力對封堵體結構的影響忽略不計。

4.2計算模型

有限元計算時，永久封堵體周邊巖體范圍取3倍洞徑，以滿足計算精度要求。基礎部分底部為三向約束，側面施加相應法向鏈桿約束。計算中考慮的主要荷載為自重、外水壓力。

假定順水流方向為z向，豎向為y向，垂直zy向為x向，計算模型如圖3所示。

本次計算采用有限元程序，采用牛頓-拉普森平衡迭代法將荷載分成一系列荷載增量，在幾個荷載步內或者在一個荷載的幾個子步內施加荷載增量。在每次求解前，由牛頓-拉普森法估算出殘差矢量，該矢量是回復力（對應于單元應力的荷載）和所加載的差值，然后使用非平衡荷載進行線性求解，且核查收斂性。如果不滿足收斂準則，重新估算非平衡荷載，修改剛度矩陣，獲得新解，使在每一個載荷增量的末端解達到平衡收斂。

4.3計算結果

永久封堵體有限元計算選取正常蓄水位/設計洪水位工況、校核洪水位工況，對封堵長度進行計算分析。主要計算成果見表5。

永久封堵體的有限元計算成果表明：

（1） 導流洞永久封堵體混凝土在局部出現了較大的拉應力，最大拉應力區域出現在迎水面周邊，最大主拉應力值為1.87 MPa，局部區域超過混凝土的抗拉強度設計值，封堵體其他部位拉應力值均小于混凝土的抗拉強度設計值。最大壓應力區域出現在封堵體迎水面中下部位，最大主壓應力值為 2.68 MPa。最大剪應力區域出現在封堵體的迎水面兩側拱腳，最大剪應力值為2.63 MPa。可通過在封堵體迎水面布置鋼筋網解決局部拉應力較大的問題。

（2） 在導流洞封堵體混凝土與圍巖接觸面上，封堵體的絕大部分拉應力值低于混凝土的抗拉強度設計值，最大拉應力區域出現在迎水面周邊，最大主拉應力值為1.87 MPa。最大壓應力區域出現在封堵體迎水面底部附近，最大主壓應力值為2.68 MPa。最大剪應力區域出現在封堵體的迎水面左右兩側，最大剪應力值為2.63 MPa，但只是出現在局部表層，絕大部分接觸面的剪應力值較小，基本滿足混凝土與圍巖間抗剪斷強度要求。可通過在圍巖與封堵體之間設置錨桿，增加接觸面抗拉強度。

（3） 沿洞軸線順水流方向導流洞封堵體應力值呈遞減趨勢，且遞減趨勢明顯。

出現上述計算成果的原因：在水壓力作用下，堵頭混凝土產生壓縮變形，軸向壓縮變形產生泊松效應，繼而沿洞室徑向產生膨脹，堵頭周邊區域由于變形產生附加彈性抗力并產生較大剪切變形，導致迎水面周邊局部區域最大主拉應力和剪應力偏大。導流洞封堵體整體穩定。采取上述措施后，有效避免了封堵體周邊拉應力和剪應力偏大的情況。

2021年2月1日南歐江七級水電站導流洞下閘，水庫開始蓄水。安全監測成果顯示，導流洞永久封堵體處于穩定狀態，封堵體結構安全。

5結語

為確保導流洞永久封堵體的施工安全、降低施工風險，南歐江七級水電站采用臨時堵頭+永久堵頭的方式。設計過程中，按照承載力極限狀態，分別從襯砌混凝土與堵頭混凝土接觸面、襯砌混凝土與圍巖接觸面兩個方面，對3種工況下的荷載情況進行了堵頭長度計算。結合有限元計算的封堵體應力應變成果，在封堵體迎水面布置鋼筋網，并對導流

洞永久封堵體全斷面增設錨桿，對封堵體的迎水面、四周等應力應變較為集中的區域進行了細化設計，確保設計方案的安全可靠。該工程的永久封堵體設計方案和計算思路可為類似水電站的永久封堵體的結構穩定設計提供參考。

參考文獻：

［1］鄢雙紅，李勤軍，張新啟，等.渫水皂市水利樞紐施工導流設計［J］.水利水電快報，2005，26（23）：13-15.

［2］史曉陽，蔣書偉.云南省某水電站導流隧洞封堵技術［J］.云南水力發電，2019，36（5）：66-68.

［3］董志宏，丁秀麗，葉三元，等.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，2011，42（增1）：9-11.

［4］韓燕華.導流洞堵頭結構穩定性分析及優化設計［J］.湖北工程學院學報，2020，40（6）：124-127.

［5］馬高.云南萬家口子水電站導流隧洞封堵設計［J］.紅水河，2020，39（3）：97-100.

［6］熊濤.DG水電站大斷面導流隧洞汛期快速封堵施工技術［C］∥中國大壩學會.中國大壩工程學會2023學術年會論文集.貴陽：中國大壩學會，2023：615-621.

［7］張耀威，張禮寧，秦崇喜.糯扎渡水電站導流洞臨時堵頭混凝土快速連續施工技術［J］.水利水電技術，2014，45（3）：58-60.

［8］白石，孫浩然.導流洞臨時堵頭混凝土快速連續施工技術研究［J］.水利水電快報，2021，42（增1）：9-11.

［9］簡崇林，漆祖芳，王英.大型導流隧洞群下閘封堵風險分析及對策——以烏東德水電站為例［J］.人民長江，2021，52（8）：158-165.

（編輯：李慧）

Design and stability analysis of diversion tunnel plug of Nam Ou Ⅶ Hydropower Project

CAO Dengrong ，SUN Wenzhao，LI Jianping

（POWERCHINA Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650000，China）

Abstract：In order to ensure the construction safety of the permanent plug of the diversion tunnel and reduce construction risks，the method of temporary plug and permanent plug was adopted for the Nam Ou Ⅶ Hydropower Station.The anti-sliding stability of the permanent plug was calculated，and the load conditions of the contact surface between the lining concrete and the plug concrete，as well as the contact surface between the lining concrete and the surrounding rock，under three working conditions，were comprehensively considered according to the bearing capacity limit state.Based on the stress and strain analysis results of the permanent plug by finite element method，the reinforcement mesh was arranged at the upstream surface of the plug，and the anchor bolts were added to the full section of the permanent plug of the diversion tunnel.The results indicated that the length of the permanent plug should be 38 m.Several flood seasons had been safely passed after the completion of the plug.The monitoring data showed that the permanent plug structure was in a stable state.

Key words：diversion tunnel； temporary plug； permanent plug； anti-sliding stability； finite element method； Nam Ou Ⅶ Hydropower Project