石膏山水库导流洞封堵方案设计

2010-08-15朱国涛

山西水利 2010年5期

朱国涛

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

1 概况

1.1 工程情况

石膏山水库地处灵石县南关镇峪口村上游1.5km，位于汾河中游一级支流仁义河上游石膏山峡谷出口处，控制流域面积110km2。总库容480.0万m3，正常蓄水位1141.00m，设计洪水位1144.00m，校核洪水位 1145.24m。石膏山水库枢纽工程主要包括混凝土重力拱坝、供水发电洞和引水式电站。

1.2 导流隧洞

导流洞位于左坝肩，为一凸出小山梁。梁顶高程1220m，坡度约30°，走向S62.6°W。地层岩性为太古界太岳山群石膏山组第二岩组混合花岗岩、浅粒岩夹片麻岩，主要为全强风化带及节理裂隙密集带，岩体较破碎，地下水位位于洞底以下，围岩类别为Ⅴ类。建议围岩坚固系数f=1～1.5，单位弹性抗力系数KL=（3～5）×105kN/m3。

2 封堵体设计

2.1 设计原则

第一，堵头属永久性建筑物，设计标准与永久性建筑物相同，为Ⅳ级。第二，堵头应安全可靠，具有良好的防渗性。第三，堵头设计应尽可能满足施工总进度计划要求。第四，堵头设计应充分考虑现场施工条件，简化施工程序，方便施工。

2.2 封堵体堵头体型选择

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，尽可能具有较大的超载能力。

堵头的一般体型有楔形、短钉形、截锥形、圆柱形、拱形及球壳形等。

短钉形虽然施工条件较好，开挖过程容易控制，但钉头部分会产生应力集中，堵头及岩面受力不均匀，因此很少采用。截锥形堵头能将压力均匀传至洞壁岩石，受力情况较好，但施工较复杂。拱形堵头混凝土用量少，但对岩石承压及防渗要求较高，可用于岩体坚固防渗性较好的地层。球壳形堵头结构单薄，只能做临时堵头。圆柱形堵头依靠其自身的摩擦及粘结力达到稳定，施工方便。由于隧洞封堵施工工期较紧，因此，选择结构简单的体型尤为重要，故该工程封堵体体型选择为圆柱形。

2.3 封堵体长度的确定

堵头体长度计算主要有以下几种公式：

式中：L——封堵体长度，m；

P——封堵体迎水面承受的总水压，MN；

[τ]——允许剪应力，取0.2~0.3MPa；

A——封堵体剪切面周长，m。

石膏山导流洞封堵设计时，采用参数：P=7.76×106N，[τ]=0.2×106Pa，A=13.19m2，经计算，封堵体长度为4.7m。

式中：K——安全系数，一般取1.1~1.3；

P——作用水头总推力，N；

ω——导流隧洞的断面面积，m2；

γ——混凝土容重，kg/m3；

f——混凝土与岩石的摩阻系数，一般取0.6~0.65；

g——重力加速度；

λ——隧洞周长，m；

c——混凝土与岩石的粘结力，一般取（5~20）×104Pa。

石膏山导流洞封堵设计时，采用参数：K=1.3，P=7.76×106N，ω=13.19m2，γ =24kg/m3，g=10，f=0.6，λ=13.19，c=10×104Pa，经计算，封堵体长度为 3.01m。

三是经验公式：L=ηHD，式中：L——堵头长度，m；

H——作用水头，m；

D——混凝土堵头直径，m；

η——系数，一般取0.015~0.02，H<100m时取大值；H>100m时取小值。

石膏山水库导流隧洞设计堵头时，采用的参数为：η=0.02，H=56.04m，D=4.2m，经计算，封堵体长度为4.7m。

综合以上三种计算结果，最终确定石膏山水库导流洞封堵体长度为5m。

在实际工程中，当导流隧洞的断面面积较大时，混凝土塞的浇筑必须考虑降温措施，否则产生的温度裂缝会影响其止水质量。例如，美国新布拉茨河口大坝的导流隧洞封堵，在混凝土塞中央部位设有冷却和灌浆用的坑道，底部埋有冷却水管，待混凝土塞平均温度降至12.8℃时进行接触灌浆，以保证混凝土塞与围岩的良好连接。

此外，在堵塞导流底孔时，深水堵漏问题应予以重视。不少工程在封堵的关键时刻漏水不止，柘溪水电站在这方面有较好的经验。该工程导流底孔封堵闸门的右侧底部，由于止水橡皮被撕坏，漏水量最大达1.0m3/s，此时上游水深达55m。他们根据漏水部位，先吊放大麻绳球以堵塞大洞，随后放小麻绳球，最后吊放棒形松散麻丝，使漏水量大大减小。为了防止麻绳球被水流冲失，在闸门前再沉放麻绳编织的2~4cm厚的帘子。麻帘互相搭接，把整个闸门槽封包起来，再在闸门前用导管抛填黏土以进一步止漏。通过采取一系列措施，基本上达到了堵漏的目的。