申美紅 吳平安 耿 靜

(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450011)

0 引言

堵頭設(shè)計(jì)是水利工程施工中導(dǎo)流洞和施工支洞的重要組成部分。在目前的水工設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于堵頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性計(jì)算方法沒(méi)明確的規(guī)定，國(guó)內(nèi)外已建工程所采用的堵頭長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)形式也沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。雖然有限元法在工程界得到廣泛的使用，但導(dǎo)流隧洞封堵堵頭長(zhǎng)度的確定，目前常用的方法主要為SL 279-2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范(簡(jiǎn)稱水利版)、DL/T 5195-2004水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范(簡(jiǎn)稱電力版)和經(jīng)驗(yàn)公式。

1 工程簡(jiǎn)介

某抽水蓄能電站主要由下水庫(kù)及下水庫(kù)泄洪排沙閘壩、上水庫(kù)及上水庫(kù)鋼筋混凝土面板堆石壩、上下水庫(kù)進(jìn)出水口、地下廠房洞室系統(tǒng)、地下輸水洞室系統(tǒng)及地面開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。上庫(kù)面板堆石壩施工期臨時(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)采用50年重現(xiàn)期大汛洪水，流量為72．00 m3/s，2011年下閘前度汛采用導(dǎo)流洞過(guò)流，壩體擋水，下閘后按水庫(kù)正常運(yùn)行調(diào)蓄洪水。

2 導(dǎo)流洞布置

上庫(kù)導(dǎo)流洞位于上庫(kù)壩右岸山坡處，經(jīng)趾板上游至壩體下游，軸線樁號(hào)0+065．76 m與15號(hào)趾板X(qián)線相交。導(dǎo)流洞洞身樁號(hào)為導(dǎo)0+000．00m～導(dǎo)0+322．61 m，洞身總長(zhǎng)度約為322．61 m，為城門(mén)洞形，寬為3m～4m，高3．2m～4m，洞軸線方向由進(jìn)口至出口為S300E～S650E。除巖石條件較好洞段未采取支護(hù)外，其余洞段進(jìn)行了鋼筋混凝土支護(hù)。進(jìn)口底板高程330．00 m，出口底板高程 313．00 m，底坡 5．27%。

導(dǎo)流洞分封堵段和未封堵段兩部分，封堵段樁號(hào)0+060 m～0+075 m，封堵長(zhǎng)度15 m。導(dǎo)流洞封堵段上覆巖體厚度10 m～15．5 m，圍巖為弱風(fēng)化的混合花崗巖，巖石較堅(jiān)硬，巖石一般完整，未見(jiàn)有斷層和巖脈通過(guò)，圍巖基本穩(wěn)定，為Ⅱ類圍巖。由于該洞段在壩趾趾板防滲帷幕線范圍內(nèi)，施工時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)該洞段進(jìn)行了混凝土襯砌。混凝土/巖石抗剪斷強(qiáng)度f(wàn)'=1．1，C=1．1 MPa。

3 導(dǎo)流洞堵頭位置的確定

為確保封堵效果良好，選定封堵段在上庫(kù)壩帷幕灌漿線與導(dǎo)流洞交叉位置。帷幕灌漿線與導(dǎo)流洞中心線相交的樁號(hào)為導(dǎo)0+065．76 m。

4 導(dǎo)流洞堵頭長(zhǎng)度的確定

4．1 計(jì)算條件

由于封堵段位于導(dǎo)流洞的襯砌洞段，因此，計(jì)算選取開(kāi)挖斷面和襯砌后的斷面分別進(jìn)行計(jì)算。開(kāi)挖斷面為4．0 m×4．0 m的城門(mén)洞形，相應(yīng)的斷面面積為14．54 m2，襯砌后的斷面為3．0 m×3．0 m的城門(mén)洞形，相應(yīng)的斷面面積為8．25 m2。偏安全考慮，計(jì)算斷面周長(zhǎng)均不計(jì)頂拱長(zhǎng)度。

堵頭段開(kāi)始樁號(hào)為導(dǎo)0+060．00 m，底板高程為326．84 m，各種水位下的水頭及水壓力見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)流洞封堵體水頭及壓力表

地質(zhì)力學(xué)參數(shù):根據(jù)該抽水蓄能電站工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)代組地質(zhì)提供的資料，上水庫(kù)導(dǎo)流洞堵頭的部位為微風(fēng)化巖層，屬Ⅱ類圍巖。地質(zhì)提供抗剪斷摩擦系數(shù)f'=1．1(混凝土/花崗巖)，粘聚力C'=1．1 MPa?；炷翆用骈g抗剪斷參數(shù):根據(jù)DL/T 5108-1999混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范，偏于安全考慮，混凝土層面間抗剪斷摩擦系數(shù) f'=1．0，粘聚力 C'=1．0 MPa。

4．2 計(jì)算方法

1)水利版規(guī)范計(jì)算公式。SL 279-2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范推薦方法，按“圓柱面沖壓剪切原則”確定封堵段長(zhǎng)度。公式為:

其中，L為堵頭長(zhǎng)度，m;P為封堵體迎水面承受的總水壓，MN;［τ］為容許剪應(yīng)力，取0．2 MPa～0．3 MPa;A 為封堵體剪切面周長(zhǎng)，m。

2)電力版規(guī)范計(jì)算公式。DL/T 5195-2004水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范推薦方法，按“柱狀封堵體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算”。公式為:

其中，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù);γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1．2;S(·)為作用效應(yīng)函數(shù)(考慮荷載分項(xiàng)系數(shù));R(·)為結(jié)構(gòu)抗力函數(shù);∑PR為滑動(dòng)面上封堵體承受全部切向作用之和，對(duì)于施工支洞來(lái)說(shuō)主要是內(nèi)水壓力;∑WR為滑動(dòng)面上封堵體全部法向作用之和，向下為正，對(duì)導(dǎo)流洞來(lái)說(shuō)主要是封堵體自重、滲透壓力、圍壓等;fR為混凝土與圍巖的摩擦系數(shù);CR為混凝土與圍巖的粘聚力;AR為除頂拱部位(90°～120°)外，封堵體與圍巖接觸面的面積。

如果堵頭周邊原導(dǎo)流洞襯砌混凝土挖除，則fR采用混凝土與圍巖的摩擦系數(shù)，CR采用混凝土與圍巖的粘聚力;如果堵頭周邊原導(dǎo)流洞襯砌混凝土不挖除，則fR采用混凝土與混凝土的摩擦系數(shù)，CR采用混凝土與混凝土的粘聚力。

3)經(jīng)驗(yàn)公式:

其中，D為混凝土堵頭直徑，堵頭為非圓時(shí)，取縱向或水平向較大值;H為作用水頭，m。

4．3 計(jì)算結(jié)果

1)按“圓柱面沖壓剪切原則”進(jìn)行計(jì)算時(shí):

按開(kāi)挖斷面計(jì)算:L≥P/(［τ］×A)=0．671 6 ×14．54/［0．2 ×(4+2 ×2．76)］=5．13 m。

按襯砌斷面計(jì)算:L≥P/(［τ］× A)=0．671 6 ×8．22/［0．2 ×(3+2 ×2．13)］=3．82 m。

2)按“柱狀封堵體抗滑穩(wěn)定計(jì)算法”進(jìn)行計(jì)算時(shí):

按開(kāi)挖斷面計(jì)算:L≥3．8 m。

按襯砌斷面計(jì)算:L≥3．2 m。

3)按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時(shí):

按開(kāi)挖斷面計(jì)算:L=67．16 ×4/50=5．37 m。

按襯砌斷面計(jì)算:L=67．16 ×3/50=4．03 m。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 三種堵頭計(jì)算方法結(jié)果表 m

就水利版和電力版的區(qū)別來(lái)看，水利版沒(méi)有考慮混凝土與圍巖的相互作用，而籠統(tǒng)的將［τ］取為0．2 MPa～0．3 MPa，因而結(jié)果不如電力版的合理;然而電力版公式由于考慮圍巖和混凝土之間相互作用較大，從而使得抗力較大，所求得封堵體的長(zhǎng)度較小;綜合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)公式在高水頭時(shí)結(jié)果一般偏于保守。

綜合以上三種計(jì)算結(jié)果封堵體承受最大水頭為67．16 m，如果采用計(jì)算結(jié)果5．37 m作為封堵體長(zhǎng)度，則封堵體的水力梯度為67．16/5．37=12．51，此值較大。另外封堵體布置在大壩帷幕灌漿線上，因而對(duì)封堵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及滲透穩(wěn)定要求較高。因此以上計(jì)算成果，結(jié)合其他類似工程的實(shí)際情況，并考慮到滲透穩(wěn)定，以封堵體最大水力梯度為5控制，取施工支洞堵頭長(zhǎng)度為15 m。

5 導(dǎo)流洞封堵穩(wěn)定復(fù)核

封堵段位于導(dǎo)流洞的襯砌洞段，因此封堵體形狀為斷面3．0 m×3．0 m的城門(mén)洞形長(zhǎng)15．0 m的柱狀體結(jié)構(gòu)。根據(jù)DL/T 5195-2004水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:封堵體應(yīng)采用混凝土結(jié)構(gòu)，其迎水面強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20，其他部位不宜低于C15。此工程中封堵體混凝土采用C20W8，水泥采用中熱水泥。分別按開(kāi)挖斷面和襯砌后的斷面進(jìn)行復(fù)核。

5．1 封堵體抗滑穩(wěn)定復(fù)核

按混凝土重力壩抗剪斷公式進(jìn)行復(fù)核。

考慮浮托力作用時(shí)，修正的抗剪斷公式表達(dá)形式為:

其中，L為安全系數(shù)(設(shè)計(jì) K=3．0，校核 K=2．5)，在此偏安全取3．0;γ1為水的容重;γ2為混凝土的容重;f'為抗剪斷摩擦系數(shù);ai為i部位界長(zhǎng)上的有效接觸系數(shù)(周界接觸條件為混凝土與混凝土?xí)r，底部a=1．0，側(cè)壁和頂部口a=0，周界為混凝土和巖石時(shí)，底部口 a=1．0，側(cè)壁口 a=0．8 ～1．0，頂部 a=0)。

封堵體承受最大水頭為67．16 m水頭，封堵段長(zhǎng)度15 m，開(kāi)挖斷面面積14．54 m2，襯砌后斷面面積8．22 m2，封堵體剪切面周長(zhǎng)(不計(jì)頂拱)開(kāi)挖斷面為9．52 m，襯砌后斷面為7．26 m，容許剪應(yīng)力取 0．2 MPa。

按開(kāi)挖斷面復(fù)核結(jié)果:

按襯砌斷面復(fù)核結(jié)果:

由以上可知，按開(kāi)挖斷面復(fù)核:封堵體長(zhǎng)度為3．07 m。按襯砌斷面復(fù)核:封堵體長(zhǎng)度為5．05 m。

因此，無(wú)論按開(kāi)挖斷面還是襯砌斷面復(fù)核，封堵體15 m的長(zhǎng)度滿足抗滑穩(wěn)定的要求。

5．2 封堵體滲透穩(wěn)定復(fù)核

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及封堵體承受最大水頭，結(jié)合導(dǎo)流洞的布置及與上庫(kù)壩帷幕的相對(duì)位置關(guān)系等因素，以及封堵洞段的圍巖地質(zhì)條件，綜合考慮封堵體結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定，最終選取尾流洞封堵體長(zhǎng)度為15 m，為導(dǎo)流洞開(kāi)挖斷面寬(高)度的3．75倍。封堵段的最大水力梯度為4．48，小于張性節(jié)理裂隙密集帶和斷層破碎帶的臨界水力梯度5(經(jīng)驗(yàn)值)，滿足滲透穩(wěn)定要求。

6 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)流洞堵頭是按永久水工建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，設(shè)計(jì)洪水位393．60 m;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年，校核洪水位394．00 m。為保證堵頭安全運(yùn)行，在堵頭設(shè)計(jì)上，除按上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還進(jìn)行必要的一些安全措施儲(chǔ)備:導(dǎo)流洞堵頭位置選擇在圍巖條件較好的Ⅱ類～Ⅲ類圍巖，無(wú)破碎帶、無(wú)溶洞、無(wú)斷層等洞段上;堵頭段封堵施工期進(jìn)行固結(jié)灌漿對(duì)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)處理;采用低熱微膨脹混凝土，解決溫控和防裂問(wèn)題;堵頭內(nèi)布置預(yù)埋管，解決頂拱回填難題;并采用接縫灌漿以增加堵頭段混凝土與圍巖之間的粘結(jié)力;另外封堵體最大水力梯度按不超5控制封堵體長(zhǎng)度，保證了封堵體滲透穩(wěn)定。通過(guò)這些設(shè)計(jì)措施，堵頭的安全性更大，能滿足擋水及滲透穩(wěn)定的要求。

［1］DL/T 5108-1999，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］SL 319-2005，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］SL 279-2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［4］DL/T 5195-2004，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［5］甘文喜．水工隧洞堵頭設(shè)計(jì)探討［J］．人民長(zhǎng)江，2001(5):34-36．

［6］董志宏，丁秀麗．大型水電工程導(dǎo)流洞封堵體穩(wěn)定性分析［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011(2):50-55．

［7］楊靜安，伍鶴皋．大型水電站導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定分析［J］．水電能源科學(xué)，2007(1):94-97．

［8］羅緯邦，牛萬(wàn)吉．某水利樞紐工程導(dǎo)流洞封堵體設(shè)計(jì)與施工［J］．水利水電技術(shù)，2010(12):50-53．