围岩导流洞的封堵技术探析

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摘 要：导流洞是水库大坝施工时为引导库区来水而在岩石山体内开凿的临时围岩洞体。水库下闸蓄水前需对导流洞进行封堵。由于大坝导流洞断面较大，在高水头条件下混凝土堵头将承受巨大的水压力。同时，导流洞在封堵时还得考虑库区上游来水的影响。这些都需要对导流洞封堵进行精心的设计规划，以保证混凝土堵头的施工和运行时的安全可靠。本文对佘家河水电站大坝导流洞的设计和施工过程进行了解析和经验总结，以供类似大坝导流洞封堵作参考。

关键词：导流洞；堵头设计；抗滑稳定；堵头施工

引 言

佘家河水电站大坝根据河谷对称，形状为V型的特点，修建拱坝为园弧曲线双曲拱坝，坝顶高程为435.3m，中间设开敞式溢洪道，正常水位高程与堰顶溢流面高程相同为429m。导流洞位于大坝右岸岩石山体内，洞体截面形心高程379m，宽高各约8m，顶部呈弧形，呈城门洞型。在大坝、引水隧洞及发电厂房施工完毕，已具备发电条件后，决定对导流洞进行封堵。由于导流洞水头高，施工条件差，需边导流边封堵。参建各方对导流洞的设计、施工进行了精心安排，以确保万无一失。

1 堵头工作机理

在水下，堵头要承受深水静压力、扬压力及自重力等多方面受力。另外，还有后期接缝灌浆产生的微胀握裹力。锥形体、键槽或锚杆等都能增加堵头的稳定性。现在只将其作为安全储备，而在计算中只考虑四周平直的等截面洞体情况。堵头受压后，其周边接缝处产生剪力，当这种剪力超过堵头的抗剪力后，将出现塑性变形。变形量过大，则将导致堵头的失稳。

2 堵头的设计要点

堵头的位置应根据围岩的工程地质、水位条件以及导流洞的衬砌情况分析确定。佘家河水电站大坝导流洞是从右岸坝下岩体内穿过，坝下防渗线位于封堵体前端1/4处。堵头长度的确定有以下方法：

2.1 力学公式

L=Kγ水×Hw×[f′w（γ混凝土-γ水）+c′s×a]-1

式中：L——堵头设计长度m；K——安全系数，（设计K=3）；γ水——水的容重（1.0×10-2MN/M3）；H——作用水头m；w——堵头截面积m2；f′——混凝土与混凝土或混凝土与岩石间的抗剪断摩擦系数，取f′=0.7；γ混凝土——混凝土容重（2.4×10-2MN/M3）；c′——堵头周界粘聚力，取c′=0.5MPa；S——堵头周长（m）；a——为周界粘结有效面积系数，取a=0.9。

2.2 经验公式

L=HD/50

式中：L——堵头设计长度m；H——作用水头m；D——混凝土堵头的等效直径（m），D=（4w/π）0.5。

根据以上公式，将作用水头50m，堵头截面积69m2，堵头周长34m，f′值根据《房县白沙河流域一级佘家河水电站工程设计报告》报审资料，岩体物理力学性指标结合导流洞地质情况，岩石类别主要为IV类围岩进行取值为0.7。

将以上数据代入力学公式计算得：

L=3×1.0×10-2×50×69×[0.7×69×（2.4×10-2-1.0×10-2）+0.5×34×0.9]-1=6.45m。

代入经验公式计算得：

L=50×8/50=8m

在参考两种计算的基础上，结合工程条件，施工时为保险起见，最终定为8.5m。

3 堵头的施工

3.1 施工方案

由于要考虑导流洞的排水，施工时不可能将导流洞一次封死。坝区平时不下雨时流量较小，经设计，在洞内埋设大直径导流钢管（？准1400mm）。在导流洞进口处用沙袋、编织布、棉絮等进行围筑截流。导流管埋于截流墙内。这样库区来水就由导流管排除坝外了（只有少量渗流不影响施工）。在导流管进口端安装蝶阀（自制），管身顶部预留二次混凝土施工孔，并预埋？准300mm塑料或钢管延伸至坝外（须用？准50钢管支架固定并有一定角度以便混凝土向下流入导流管内）。同时，应在堵体混凝土施工前在导流洞四壁分区埋设接触灌浆系统。待导流洞浇筑混凝土封堵完毕，将进口蝶阀关闭（阀前再用棉絮等塞紧），导流管出口用钢板焊接封闭，再对导流洞堵头进行二次混凝土浇筑（由于导流管内浇注无法振捣，故混凝土要求塌落度较大，需达到20cm以上，并提高其强度等级，管内外交叉焊接钢筋头，以起到锚固作用）。最后，通过预埋的接缝灌浆系统对堵头周界进行接触灌浆。

3.2 混凝土浇注温度控制

由于佘家河水电站的导流洞处水头较高，水库水温较低，大概在10℃左右，（一般，导流洞内温度基本恒定），对堵头稳定温度影响不大。基础温差，可根据重力坝设计规范中推荐的计算公式，依据混凝土热学参数、浇筑温度、水管冷却等计算温度应力，并根据堵头混凝土的允许拉应力确定基础温差。由稳定温度、基础温差确定堵头混凝土施工期最高温度。

以混凝土允许最高温度为控制原则制定各种温控措施。视当地气候条件可采用控制砂石料及水的温度、减少水泥用量、堵体分段、采用低热水泥、冷却水管等温控措施。为满足施工要求，堵体混凝土大都采用常态混凝土泵送浇筑。

混凝土温升较高，而堵体从开始施工到承担高水头运行时间较短。为尽快进行接缝（或回填）灌浆。在接缝灌浆前堵体温度必须快速降至稳定温度场方可进行。那么，只有充分依靠冷却水管方能达到。需注意三个方面的问题：一是使冷却水温和混凝土温度有20～25℃的温差，以保证冷却效果；二是保证堵体混凝土温度下降速度控制在0.5～0.8℃/d，降温速度太低影响接缝灌浆时间，速度太快容易使混凝土受到冷击而造成损伤；三是加强监测，对冷却水温度和混凝土温度进行实时监测，并依据监测成果对冷却水温及时调整。

3.3 堵体止水、灌浆

导流洞封堵还需注意沿周界设置止水设施以及灌浆，以防漏水。

（1）止水。高水头堵体应在上游侧设置止水铜片，必要时还可在铜片止水前设置1道膨胀止水条。堵体周边如为基岩，可在堵体施工前沿止水开挖止水基槽设置止水，混凝土基槽设置锚杆；周边如为混凝土衬砌，可在施工衬砌时将止水埋入。堵体下游侧可设简易止水兼做接触灌浆止浆片。

（2）回填灌浆。封堵体必须做好回填灌浆，灌浆压力可适当提高，可采用0.6～0.8MPa（常规0.3～0.4MPa）。如堵体施工前已有衬砌，必须对原衬砌顶部再次进行回填灌浆。范围为向堵体上下游侧延伸不少于1倍洞径长度。

（3）接缝灌浆。接缝灌浆是保证堵体与原衬砌或围岩、堵体分段之间有效传递应力的必要措施。灌浆需在堵体混凝土温度基本达到稳定温度场时方可进行。为增强堵体围压效应，建议适当地提高灌浆压力，如采用1～1.5MPa（常规为0.3～0.4MPa）。为保证灌浆效果，应在堵体混凝土施工前分区预埋设接缝灌浆系统。

3.4 堵体监测设计

堵体监测项目为温度、渗压、接缝监测，仪器布置应简单，应考虑渗压和接缝监测仪器也可兼做温度监测仪器。

3.5 堵体与混凝土或基岩面处理

堵体承受的水推力通过接触面的摩阻传向周界从而保持稳定，因此必须重视对接触面的处理。如堵体接触面为基岩，必须清除基岩面松动的块石，并保证基岩面为干净的原岩；如对基岩面已进行了混凝土喷护，则需彻底的清除堵体部位的喷护混凝土后方可浇筑堵头混凝土；如堵体接触面为混凝土，则需对衬砌混凝土进行彻底的凿毛处理。建议将衬砌混凝土凿出小石（一般混凝土凿毛为无乳皮，微露粗砂），以增强摩阻力。

4 结 语

堵头的设计，既要考虑造价和安全，也要考虑工期。导流洞的堵头长度考虑过于安全，将使本来短暂的工期变得紧张，也造成一定浪费。因此，在堵头设计与施工过程中，把握关键，注重细节，是保证堵头安全施工和运行的原则。

参考文献

[1]施工导流设计规范.长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.2006.11.

[2]导流洞封堵设计探讨.湖南省水利水电建立承包总公司.湖南水利水电，2002年05期.

[3]水利水电工程施工技术.中国水利水电出版社.钟汉华.

[4]导流截流及围堰工程.大中型水利水电工程技术丛书，2005.