高家坝防洪水库工程导流隧洞封堵设计

许正举 王 翔

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

导流隧洞的封堵一般由两部分组成，首先利用进口封堵闸门截断进入隧洞的河水临时封堵，然后在导流隧洞中选择适当的位置用混凝土（通常称为堵头）将完成使命的导流隧洞完全封堵，确保水库内蓄水的安全，并不渗漏到下游。笔者根据设计经验和掌握的部分资料，对临时封堵闸门设计以及堵头的设计原则、合理长度、体形和相应措施等方面进行分析。

1 工程概况

高家坝防洪水库工程位于沅水二级支流猛洞河中上游，拦河坝坝顶高程▽373.5m，最大坝高63.5 m，正常蓄水位▽368.0m，相应库容6 320万m3。溢流坝位于河床中部，溢流堰堰顶高程▽355.0m，共设3孔溢流堰。

施工导流采用一次拦断河床隧洞导流的方式，导流洞布置在大坝左岸。洞身岩体为宝塔组（O2b）下部薄～中厚层灰岩，岩石弱～微风化状，岩层产状N22°W～N25°ESE（NW）∠5°～15°，倾向右岸，倾角平缓，节理裂隙或溶隙较发育。导流洞为城门洞形，宽度6.0m，高度6.5m，顶拱半径 3.0m，顶拱中心角180°，隧洞进口底板高程316.0m，出口底板高程315.0m，隧洞全长347.0m。

截止2009年3月底，枢纽建筑物已基本完工，防洪水库工程具备下闸蓄水条件。根据进度安排，计划于2009年4月1日导流隧洞进口临时封堵门下闸封堵，4月～5月永久堵头在进口临时封堵门和出口土石围堰保护下进行施工，5月底堵头施工完毕，防洪水库工程正式投入运行。

2 进口临时封堵设计

2.1 进口临时封堵闸门设计标准

根据进度安排，进口临时封堵闸门的挡水设计洪水标准按照《水利水电工程施工组织设计规范》的相关规定，选10月～次年5月5年一遇洪水（Q=710 m3/s）。但考虑到进度安排永久堵头施工期已跨入汛期，依据规范规定，进口临时封堵闸门的度汛设计洪水标准选全年10年一遇洪水（Q=2 013m3/s）。封堵期设计洪水标准、时段流量及有关水力学参数见附表。

附表 封堵期导流水力学参数表

溢流坝闸门的调度方案如下：

（1）当入库流量小于或等于机组的过机流量61 m3/s时，维持库水位360.0m，泄水建筑物闸门关闭，入库流量通过水轮机下泄。

（2）当入库流量在（61～710）m3/s时，通过调节闸门开启高度，维持库水位360.0m。

（3）流量在（710～2 013）m3/s时，闸门部分开启至全开，库水位维持在363m以下。

经分析计算取临时封堵闸门设计挡水位360.0 m、校核挡水位363.0m。

2.2 临时封堵闸门设计

2.2.1 临时封堵闸门型式选择

封堵闸门沉放后不再提起和利用,因此闸门的结构形式应尽量简单经济,起吊方便、可靠。根据选定的临时封堵闸门设计标准对钢闸门和钢筋混凝土叠梁门进行比较：①钢闸门造价较钢筋混凝土闸门高出近一倍，不经济；②钢闸门重量不足钢筋混凝土闸门的一半，起吊较方便；③若不考虑采用整体钢筋混凝土闸门（整体闸门重达131.6 t），而是借鉴其他项目已成功使用的钢筋混凝土叠梁闸门，最大单根叠梁的重量为37.1 t，可利用汽车吊分节吊装。综合比较，业主明确导流隧洞进口临时封堵闸门采用钢筋混凝土叠梁门。

2.2.2 临时封堵闸门设计

（1）封堵闸门所承受的荷载主要来自蓄水后库水位的上升所形成的水压力。闸门工作时段为闸门下闸封堵至永久堵头达到设计强度所需的时间。在此时段内,水库蓄水设计保证率取80%，按4、5月份80%的月平均流量计算，约35天可达到360.0m高程。

（2）临时封堵闸门采用钢筋混凝土叠梁门，根据导流洞进口结构形式、尺寸及结合吊装能力初步分析确定临时封堵门由四根钢筋混凝土梁组成。梁长度由导流隧洞的净宽（考虑门槽的深度）决定，考虑吊装和保护门槽因素，门槽两端各预留50mm宽，梁长度取6.9m。门槽顺水流方向宽为1.2m，为便于安装滑块，同时考虑不损坏门槽预埋钢契块而预留空隙，暂定梁高为1.05m。考虑单根梁沉放时是否需要配重和起吊设备吊装能力，经过计算分析，选择下面1#、2#叠梁宽度取2m，上面3#、4#叠梁宽度确定为1.55m。见叠梁门封堵示意图1。

图1 叠梁门封堵示意图

（3）根据初步确定的叠梁截面尺寸进行叠梁的配筋计算，并通过配筋结果验证叠梁的截面尺寸能否满足挡水要求，是否需要重新设计叠梁截面尺寸。

① 基本情况和设计标准。

隧洞进水口底板高程：316m；隧洞进水口顶板高程：322.5m；门槽宽：1 200mm，门槽厚：500mm；设计水位：360m，设计水深：44m；校核水位：363m；按临时建筑物考虑，为Ⅴ级建筑物，其结构系数rd=1.25；裂缝允许的最大开展宽度：[σf]=0.30 mm（短期）（二类环境）；裂缝允许的最大开展宽度：[σf]=0.25mm（长期）（二类环境）；容许挠度：L0/400（L0为计算跨度）；一般经济配筋率：0.6%～1.5%超筋配筋率：2.63%；结构安全等级：Ⅲ级ψ=0.9；设计状况：持久状况 г0=1.0。

② 根据受弯叠梁的正截面承载力计算确定叠梁的受力钢筋,分布钢筋按构造要求设置。

③ 根据受弯叠梁的斜截面承载力计算确定是否设置叠梁的箍筋和弯起钢筋。

④ 根据受弯叠梁的正截面承载力验算受力钢筋部分弯起后，正截面承载能力能否满足抗弯要求。以受力钢筋弯起点为验算截面，计算弯起点所需的受力钢筋截面面积。若不满足抗弯要求，应先减少受力钢筋弯起数量，然后设置斜筋以提高斜截面抗剪能力。也可通过增大叠梁厚度和提高混凝土的强度等级来满足要求。并对叠梁的挠度变形进行验算。

⑤ 对叠梁的吊装进行设计。结构自重按均布荷载考虑，使最大正弯矩和最大负弯矩相等，从而确定吊环位置。每根叠梁上部设置4个吊环，设计中按3个吊环同时发挥作用考虑，每个吊环有两肢受力，从而选定叠梁吊环间距和吊环圆钢的直径。并对叠梁单吊点和双吊点的起吊条件进行复核。

⑥ 为减少闸门下放后的渗水量，确保永久堵头顺利施工。在叠梁闸门底部以及叠梁间设置方型橡胶止水，在叠梁闸门侧边和顶部的下游面与门槽接触部位设置P型橡胶止水，使闸门整个止水系统形成封闭体。

3 导流隧洞永久封堵堵头设计

导流隧洞封堵堵头为永久挡水建筑物，安全系数和防渗等级必须满足相应规范要求，设计荷载和校核荷载分别按大坝工程的设计洪水位和校核洪水位进行计算。为确保整个枢纽安全，对位于穿越坝体范围内的导流隧洞是否需要进行全段封堵应根据拦河坝的结构形式和应力传递要求确定，堵头应布置于大坝帷幕线附近，以确保水库蓄水不会通过堵头上下游岩体绕渗到库外，影响水库运行期的正常蓄水。

对封堵堵头的设计而言，其位置相对比较固定，形状也很容易做出选择，因而封堵体设计的核心问题就是其长度的确定。

3.1 设计标准

高家坝防洪水库工程大坝为Ⅲ级水工建筑物，根据规范规定，封堵堵头作为永久建筑相应也为Ⅲ级，堵头设计标准如下：设计洪水标准50年一遇，相应流量3 259m3/s，对应上游水位372.0m；校核洪水标准500年一遇，相应流量5 090m3/s，对应上游水位372.0m。

3.2 堵头长度计算方法选定

根据以往国内外工程上常用的确定封堵堵头长度的计算方法主要有以下几种：

（1）按3倍以上洞径或洞宽确定堵头长度L=3×D。

（2）按挪威的经验公式 L=（3～5）H/100。

（3）按照经验公式 L=h×D/50。

（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，不符和实际情况。其计算公式为：

（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。其计算公式为：

（6）极限平衡条件（抗剪断强度）法，其计算公式为：

式中l——堵头长度(m)；

K1——摩擦力的安全系数，可取1.05～1.15；

K2——凝聚力的安全系数，建议取4～6；

P——封堵体迎水面承受的总水压力（kN）；

ρ——混凝土重度（kN/m3）；

A——堵头断面面积（m2）；

F——混凝土与岩石（或混凝土）的摩阻系数,取 0.95～1.0；

S——堵头断面周长（m）；

C——混凝土与岩石（或混凝土）的抗剪断黏结力，取（0.7～0.75）MPa；

λ——抗剪断面积有效系数，可取0.7～0.75，主要考虑顶部接触不良、接缝灌浆效果不佳、接触面的处理清洗不良和混凝土收缩影响等因素。

通过上述6种计算方法比较，各种方法计算出的最小长度有比较大的差距。单纯的采用某一种方法确定堵头的长度是不完善的。堵头取得太长，增加工程造价，取的太短则可能破坏，一旦破坏会造成严重后果。因此，堵头的计算长度应该结合实际情况和工程类比的方法联合确定。本次堵头设计长度计算拟采用抗剪断公式，同时考虑施工水平及堵头施工质量等综合因素，最终确定堵头长度。

导流隧洞堵头长度确定以后，为了使堵头符合抗滑稳定计算时的假定，增大其安全储备，设计时考虑增设齿槽、锚筋、倒坡等抗剪措施。

3.3 堵头的布置

堵头的位置考虑到与大坝帷幕线的衔接，设置在大坝帷幕中心线附近，堵头全长12.5m，为一整段，堵头布置详见堵头设计图2。

图2 堵头设计

3.4 堵头型式

堵头采用常规的截锤型，在堵头底部、侧面开挖齿槽，挖除堵头段原隧洞底板衬砌混凝土与边墙的喷混凝土，使堵头座落在基岩上。齿槽为三角形水平断面，前端坡比1∶2，最大挖深1.0m。侧墙齿槽最大高度4.4m，侧墙齿槽最大宽度7m。

在堵头体内设与下游相通的灌浆廊道，断面尺寸为2.0m×2.5m，廊道底板向下游呈3.0‰坡度以利于排除廊道内积水。在堵头前端布置两道止水铜片，末端布置一道止浆片。堵头底板和侧墙布置有梅花形插筋以增强其抗剪作用。

3.5 温度控制设计

封堵堵头属大体积混凝上，应采取有效的温控措施，混凝土堵头温控设计的目的：一是防止混凝土裂缝，二是确定达到接触灌浆温度所需的冷却时间，三是减少接缝灌浆或回填灌浆工作量。

堵头混凝土浇筑后受周围围岩的约束，设计要求混凝土最高温度不超过40℃。

在施工过程中从以下几个方面采取措施，防止混凝土产生温度裂缝：

（1）对混凝土原材料和配合比的选择及施工中各个环节严把质量关，提高混凝土的抗裂能力。

（2）降低混凝土水化热温升，减少每方混凝土重的水泥用量。采取薄层浇筑，层厚1.5m，间歇期5～7天，当气温较高时，浇筑混凝土应尽量采取早晚和夜间进行。

（3）控制混凝土浇筑温度，浇筑温度控制在16℃之内，4、5月份月平均气温较高，应采取必要的预冷措施。

（4）堵头混凝土冷却蛇形管采用直径25.4mm的钢管，水管从堵头下游面引出，布置间距为0.8 m，蛇形管内流量应控制在16 L/min左右，以保证管内形成紊流。

3.6 灌浆设计

导流隧洞封堵后的渗漏由三个方面原因造成：

（1）地质情况复杂,堵头周围的岩体存在漏水通道和较发育的渗水裂隙。（2）堵头周界（特别是顶部）存在贯通的缝面。（3）在压力水头作用下堵头本身和其一定范围内围岩的渗水。

通常由前两种原因引起的漏水量比较大，必须通过工程措施进行处理。将导流隧洞堵头布置在防渗帷幕处，就是为了防止由于地质情况没有查明引起渗漏量大时，可以通过加深帷幕来封堵岩石中的裂隙。堵头周界的缝面经过回填灌浆和接触（缝）灌浆后，一般不会产生漏水。压力水头作用形成的渗流流量较小，不会在堵头和周围的岩石引起失稳破坏，通常可根据水力梯度的大小，对堵头混凝土提出一定的抗渗等级要求，本次设计堵头混凝土标号R28C25，抗渗标号≥W8，堵头混凝土掺入适量膨胀剂。

堵头顶拱回填灌浆控制顶拱中心角120°的范围，控制面积约 55m2。灌浆压力（0.2～0.3）MPa。灌浆时间可在混凝土浇筑后5～7天，设计强度达到70%后进行。

堵头固结灌浆共60孔，按梅花型布置，钻孔深入围岩 5.0m，每排 12 孔，排距（0.9～2.5）m，灌浆压力（0.8～1.2）MPa。

堵头接触灌浆是堵头与岩石接触面的接触灌浆，在堵头混凝土段内均采用预埋硬塑料管的方式预留灌浆孔，岩石段灌浆孔可从堵头廊道内采用手风钻钻孔，与固结灌浆采用同一孔位，灌浆压力（0.6～0.8）MPa。

为确保堵头回填灌浆和接触（缝）灌浆的质量,在堵头的上游端设二道紫铜止水片（兼作止浆片），下游端设一道镀锌铁皮止浆片。为确保接触（缝）灌浆的施工质量，在顶部和两侧设排气槽。

3.7 观测设计

堵头应进行原型观测，以指导封堵期施工及运行维护。观测设备的埋设易造成混凝土内部的薄弱点，观测设备的埋设不宜太多。结合堵头混凝土的结构情况，本次设计选择以下观测内容：堵头内部温度观测（温度计3支）、堵头混凝土与岩石之间缝面观测（测缝计2支）。

4 应注意的问题

本工程导流隧洞封堵施工完工近5年了，至今运行良好，未出现漏水等问题。实践验证了临时封堵采用钢筋混凝土叠梁闸门的设计是经济合理的，堵头设计也是合理安全的。但设计还有进一步优化的空间，通过分析在施工过程中出现的问题，总结出以下几个需完善的内容：

（1）临时封堵采用钢筋混凝土叠梁闸门解决了经济和吊装的问题，但是叠梁门设计分节过多对止水的施工难度很大，建议在设计时尽量考虑少分节。

（2）叠梁间的止水是通过埋设在叠梁底部的方型橡胶止水实现的，如叠梁自重过小，随着库水位上升，水压增大，势必会造成漏水。设计时应合理考虑叠梁的尺寸，以满足止水所需的重量。

（3）根据地质专家意见取消了导流隧洞堵头固结灌浆，修改为单排帷幕灌浆，并与大坝帷幕灌浆相结合。设计时切实考虑隧洞堵头附近的围岩状况，合理减少不必要的工程措施，做到经济合理，并优化施工工期。

5 结 语

导流隧洞作为临时建筑物，工程量相对较小，其重要性往往被忽视。工程实践证明，导流隧洞一旦失事，将给工程带来重大的损失，特别是导流隧洞的下闸封堵，一旦出现失误，水库无法进行蓄水，由于其他相关建筑物都已建成，等待投产发电，其后果是不堪设想的。应充分重视导流隧洞的封堵，设计时必须根据工程的实际情况进行计算分析，以确保工程安全。

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