大型水电站导流洞堵头结构与稳定性分析

谷明强

（中国葛洲坝集团股份有限公司三峡分公司，湖北 宜昌 443002）

导流洞是大多山区狭窄河流水电站枢纽工程施工的主要导流方式，随着我国水电站建设的发展，导流洞的规模不断刷新，渡汛标准和下闸后的挡水水头越来越高，对导流洞堵头的要求也越来越高。导流洞设计对各种因素考虑是否周全，不仅影响导流工程的投资，而且与工程的建设安全、施工进度和投产发电等都息息相关。导流洞虽然是临时建筑物，但对其进口的体形及结构设计亦应认真对待，更应该理解导流洞堵头的重要性，保障其稳定性，保障大型水电站的顺利施工。

通过对国内已建和在建大型工程的调查，大型导流洞在开挖支护施工过程中，多数曾发生规模不等的塌方或工程事故，有些水电站由于地质条件和不合理开挖支护等原因，出现了特大型塌方事件，造成重大损失。导流洞的施工期、运行期到下闸后堵头完成前的安全对整个工程的安全影响较大。导流洞堵头设计和施工特点具有特殊性，设计施工中必须全面做好工作。

导流隧洞在任何一个工程中导流洞堵头施工后，都会用永久性混凝土进行封堵，在运行过程中堵头会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。导流洞堵头的封堵作为工程中永久性建筑物，虽然堵头的工程量相对较小，但作为水库蓄水的主要控制条件之一，对工程的安全运行有着极其重要的作用，封堵工作是否能够顺利、及时地完成，对整个后期的工程进度有着极其重要的意义。所以，对大型水电站更应该做好导流洞堵头结构和稳定性工作。

对导流洞堵头的设计工作是关键，但堵头的位置及施工时限更应该认真的去分析和研究，尤其是堵头位置设计是施工的基础。堵头位置一般是根据导流洞开挖后揭示的地质情况选择在地质较好的洞段，而忽略了其它地质构造的影响。例如，如果在堵头与帷幕间有漏水通道，就会造成堵头后有承压水出现。所以，导流洞的堵头不宜设在库内，最好设在坝轴线处，避免坝轴线与堵头间有未探明的地质构造，使库水绕过堵头漏入下游，以便万一存在未探明的漏水通道也可以通过加深帷幕或延长帷幕线进行补救。导流洞的封堵闸门关闭后，堵头的施工时限往往被忽视。下闸后忙于庆功，不能及时施工，往往忽视了可能存在的潜在危险。水东水电站就是一个很大的教训，从下闸到出现事故有15天时间，若在下闸前做好充分准备，尽快完成第一段堵头施工，就可避免推迟第一台机组的发电时间。

堵头长度作为导流洞堵头设计的核心,一般而言,堵头承受的基本荷载有内水压力、渗透压力、自重、地震荷载以及周边的围岩压力的等。导流洞堵头的长度是通过计算确定的，其长度一般都在三倍洞径(或洞高)左右，但也要精密的计算。虽然有限元法在工程界得到广泛的使用，但导流隧洞封堵堵头长度的确定，一般是根据经验公式。堵头施工大多数分两段，在不增大堵头投资的前提下，对堵头的施工程序和进度必须进行周密的计划和安排，缩短下闸到第一段堵头形成的时间间隔，使第一段堵头能够尽快形成。这就要求设计者不仅要对堵头受力进行详细的分析计算，而且要采取一些新技术、新材料、新方法，做好相应的施工组织设计并提出时限要求，以避免出现事故造成损失。

导流洞封堵堵头的形式有瓶塞形、截锥形、短钉形和拱形。这些形式各有优缺点，在施工过程中应根据具体情况分析，具体选用。截锥形堵头一般在堵头边墙和底板设置键槽，导流洞开挖过程中将键槽一并开挖完成,然后按导流洞结构进行混凝土衬砌，在导流洞下闸以后，原则上需将键槽段导流洞结构衬砌混凝土凿除后才进行堵头混凝土浇筑，但在实际施工过程中，往往因为凿除困难和工期较紧等原因，没有将该段混凝土凿除，仅将该段混凝土面凿毛，并在边墙和底板布设锚筋，保证新老混凝土之间、堵头和围岩之间结合紧密。可见，堵头能将压力较均匀地传至洞壁，受力情况好，被广泛采用。瓶塞形堵头一般采用单段、单齿结构，在上游水推力作用下，混凝土堵头对围岩形成挤压。同时，混凝土堵头伴随轴向压缩变形，径向将产生膨胀效应，对围岩形成挤压，受到由于变形压力产生的附加弹性抗力的作用，并由此在混凝土与围岩接触面上产生摩擦阻力。由于瓶塞形堵头施工简单，受力状况较好，所以导流洞堵头较多采用此种体型。短钉形开挖较易控制，但钉头部分应力较集中，受力不均匀，不常采用。拱形堵头混凝土量少，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。

施工过程中，堵头灌浆主要进行固结灌浆、回填灌浆、接触灌浆和接缝灌浆。一般情况下，堵头需设置灌浆廊道，回填灌浆、接触灌浆和接缝灌浆均在廊道内进行。固结灌浆是对堵头外部围岩的加固处理，是保障堵头稳定性的重要方面。回填灌浆则是因为堵头混凝土在浇筑完成后，由于重力作用和混凝土的干缩，堵头混凝土与洞壁岩石或堵头混凝土与导流洞衬砌混凝土之间会形成一个空腔，所以必须做好工作。回填灌浆在堵头混凝土达到设计强度的70%后进行，灌浆管预埋在堵头混凝土中，通常采用硬塑料管，并在拱形、压力方面都有严格的要求。在堵头混凝土达到稳定温度以后，由于重力作用和混凝土的干缩，堵头混凝土与洞壁岩石或堵头混凝土与导流洞衬砌混凝土之间会有缝隙，所以堵头往往还要进行接触灌浆。接触灌浆管预埋在堵头混凝土中，灌浆管通常采用硬塑料管，一般情况下，灌浆范围为拱顶及侧墙。接缝灌浆是对堵头分段浇筑处的灌浆，如果堵头不设横缝，则不需进行接缝灌浆。接缝灌浆在混凝土堵头全部浇筑完成，并且混凝土温度降到稳定温度后进行。这些灌浆都需要严格分清需要的灌浆压力，任何一个环节都不容忽视。

由于堵头混凝土体积较大，所以在浇筑过程中采取相应的温度控制措施是非常必要的。主要考虑两个方面：一是，堵头是否需要进行初期通水冷却；二是，在堵头最后一层混凝土浇筑完成后需要多长时间才能达到稳定温度,即需要通水多长时间才能开始接触灌浆和接缝灌浆。另外，更应该注意的是根据现场情况，确定冷却时间。

导流洞封堵堵头事关工程安全运行及效益发挥，是大型水电站关键的水工建筑物，因此，无论是设计还是施工，均应高度重视、认真对待。但在实际施工工作中应根据施工情况，具体问题具体分析完成施工，不应该保守的根据一般的计算公式，甚至经验方式完成。

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