水工隧洞堵头设计探讨
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摘要：水工隧洞堵头工程量相对很小, 但其作用极为重要, 在现行规范中又缺少堵头的设计条款, 致使各工程堵头的设计准则和方法不尽相同。文章通过对水工隧洞封堵体在布置、选型、结构计算、工艺选择等方面的深入研究，详细阐述了水工隧洞封堵体的设计方法以及在施工中应注意的问题，对水工隧洞封堵体的设计与施工具有一定的指导意义。
关键词：水工隧洞 堵头 设计
中图分类号： S611文献标识码：A
前言
由于堵头的重要性和所占的投资比重较小, 加上直到目前的水工建筑物规范中还没有堵头设计的条款可循以及在多数情况下工期较紧等多种原因, 造成多数堵头设计过分偏于安全, 不仅毫无必要地增加了工程造价, 也使本来相对短暂的工期更趋紧张。
一、封堵体的设计
封堵体的布置
封堵体的位置应根据围岩的工程地质和水文地质条件以及已有的支护、衬砌情况，相邻建筑物的布置及运行要求等分析确定，按照封堵体所处位置可将封堵体划分为支洞封堵和主洞封堵两种。
1 支洞封堵体的布置
支洞封堵体在布置上一般没有较大的选择余地，但在支洞设计时，应充分考虑下列两个因素：
（1）主洞与支洞交叉处不宜有大的破碎带、软弱夹层等；
（2）应尽量避免将支洞封堵体布置成永久建筑物。
2 主洞封堵体的布置
主洞封堵体的布置应着重考虑以下四个因素：
（1）地质条件。封堵体应尽量布置在地质条件较好的洞段；
（2）大坝防渗帷幕的位置。当大坝防渗帷幕较深，并与主洞相交时，隧洞封堵体应尽量布置在大坝防渗帷幕线上。当大坝防渗帷幕深度离隧洞较远时，封堵体的位置可不受此限制，但应尽可能布置在上游；
（3）后期改建与否。当导流隧洞与其它隧洞结合时，导流隧洞封堵体应尽量与永久建筑物相结合布置，例如导流隧洞与泄洪洞采用龙抬头方式结合时，导流隧洞封堵体应尽量与泄洪洞反弧段的回填混凝土结合布置。
（4）与相邻建筑物的关系。隧洞封堵体的布置应满足相邻建筑物的结构要求。
2封堵体的体型选择
封堵体的体型和长度应根据封堵体所承受内水压力的大小、地质条件、施工方法、封堵材料、运行要求，并考虑施工工期等综合因素分析研究确定，应在安全可靠的前提下，尽量简单实用，并尽可能具有较大的超载能力。封堵体的选型一般应考虑下列三个因素。
（1）水头因素：一般中高水头水工隧洞的封堵应尽量选用超载能力较强的瓶塞式封堵体，低水头水工隧洞的封堵可选用体型较简单的等截面柱状封堵体。
（2）断面因素：方圆形断面隧洞应尽量选用瓶塞式封堵体，其齿槽与隧洞可同时开挖，并且对于衬砌段可随衬砌进行混凝土浇筑以及灌浆等。圆形隧洞特别是采用掘进机开挖的圆形隧洞应尽量采用等截面柱状封堵体，以简化施工。
（3）施工因素：隧洞封堵一般施工期工期较紧，因此，选用结构简单的体型尤为重要。
3 封堵体的受力特性
封堵体承受的基本荷载主要有：水压力、渗透压力、自重以及地震荷载等，除此之外封堵体周界还存在综合围压，综合围压主要表现在以下几个方面：
（1）围岩应力重分布的影响，洞室开挖后，出现第一次应力重分布，表现为洞周某一范围内的切向应力增大而径向应力减小，洞壁处径向应力为零。隧洞封堵蓄水后，其周边的岩石处于饱和水状态，围岩应力的水平分量和垂直分量之比发生了变化，由此带来洞周各点将发生收敛变形，即产生第二次应力重分布，第二次应力重分布的结果将导致封堵体承受一定的围岩压力。
（2）灌浆应力的影响。混凝土浇筑完成后，封堵体必须进行回填灌浆，必要时还要进行二次回填灌浆，有时还需要进行围岩的固结灌浆和周边的接触灌浆。灌浆后，在封堵体周边必然产生附加径向应力，从而使封堵体与围岩间出现相互作用的弹性抗力。不少工程的原型观测结果表明，即使考虑了混凝土和围岩徐变以及浆液结石收缩等因素造成的应力松弛，接缝部位的灌浆残余应力仍可保持初始应力的40%~70%。
（3）混凝土内掺入复合型膨胀剂后带来的挤压影响。为简化施工，近年来许多工程的封堵体均采用了膨胀混凝土，采用膨胀混凝土，不仅可以抵消混凝土的收缩变形，而且还可对围岩产生（0.2~0.3）mpa的压应力。
4封堵体的设计等级及设计原则
封堵体的设计等级主要与挡水时充当的作用有关。充当坝体作用的封堵体，其设计等级应与坝体保持一致，过坝涵洞封堵体实际上是坝体的一部分，导流隧洞主洞封堵体尽管上游有衬砌结构和闸门保护，但其设计水位一般都比大坝的设计水位低，其作用一般不予考虑，因此导流隧洞主洞封堵体仍是大坝的一部分。充当围岩作用的封堵体应与所在主洞的建筑物设计等级保持一致。充当围堰作用的封堵体，其建筑物设计等级一般为IV级，但当拦洪库容超过1.0亿M3时，建筑物设计等级应提高一级，按III级建筑物设计。
5 封堵体的结构计算
以往工程常用的确定封堵体长度的计算方法主要有以下六种：
（1）按4 倍以上洞径或洞宽确定，其缺陷是没有考虑水头等因素；
（2）按挪威的经验公式L=(3~5)H/100确定，其缺陷是忽略了隧洞断面大小等因素；
按照经验公式L=hD/50确定，其缺陷是在高水头时计算结果偏于安全；
（4）参照重力坝的计算方法，用基础面的抗滑稳定条件确定，虽然概念明确，但是侧面和顶拱不计或少计粘聚力，不符合实际情况；
（5）按照混凝土抗冲压剪切原则确定，设计概念明确，计算简便，其柱面剪应力平均分布的假定与三维有限元计算的结果比较接近，有较好的实用性；
（6）数值分析的方法，主要是三维有限元法，三维有限元计算是近年来随着数值计算的发展而发展起来的，主要有弹性、弹塑性等力学模型。有限元计算成果和常规计算成果相差较大，且模型不同计算结果差别也比较大，因此《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）推荐对于等断面封堵体长度，可按照圆柱面冲压剪切原则确定，该方法计算的结果与三维有限元计算成果拟合较好、又容易接受且计算简便。“冲压剪切计算法”认为，封堵体在水推力作用下存在沿周边发生剪切破坏的趋势，封堵体的安全条件是周界上的平均剪应力不大于混凝土与岩石间的容许剪应力。将封堵体视为静水作用下的刚体，剪应力沿周界均匀分布。其计算公式为：
水工隧洞封堵是水工建筑物的重要组成部分，其施工也是工程建设中的重要环节之一，在设计施工中应引起足够重视。在水工隧洞封堵体的设计与施工中应着重注意以下几点：
（1）水工隧洞封堵体的体型应尽量简单，且具有较强的超载能力；
（2）封堵体属大体积混凝土，应采取有效的温控措施，必要时可采用微膨胀混凝土，既可控制温度，又能减少接缝灌浆或回填灌浆工作量；
（3）沿顶部和周边缝漏水是封堵失败和失事的主要原因之一，因此封堵体必须做好回填灌浆，必要时应进行二次回填灌浆，在灌浆设计时应考虑二次灌浆问题，做好二次灌浆准备；
（4）对于大型封堵体，应尽量采用三维有限单元法进行计算，以便准确地掌握封堵体的受力特性。
结束语
水利水电工程的引水系统施工支洞和导流隧洞在完成使命后, 都要用永久性混凝土堵头进行封堵。在运行过程中堵头同周围岩石或混凝土连成整体, 共同承担由作用水头产生的水压力。虽然堵头的工程量相对较小, 但对水利水电工程的运行安全和工程效益有着极其重要的作用, 故将堵头设计等级和相应的水工建筑物的等级要等同对待。
参考文献
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