妙隘水库导流洞改建及封堵设计

2018-08-21郭西方王建勇胡彬彬

水利水电工程设计 2018年2期

郭西方李娅王建勇胡彬彬

妙隘水库工程位于贵州省松桃苗族自治县境内，由混凝土面板堆石坝、岸边开敞式溢洪道、取水兼放空设施、输水管道等建筑物组成。水库正常蓄水位451.0 m，校核洪水位453.79 m，死水位438.0 m，总库容为242万m3，为Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物级别为4级。工程任务为农田灌溉、集镇及农村供水，输水设计流量0.45 m3/s。

面板堆石坝坝顶高程454.50 m，最大坝高35.0 m，坝顶长145.0 m。工程施工采用上、下游土石围堰截断河床、右岸坝肩布置1条导流洞泄流的导流方式；导流结束后，结合下游供水、生态水下放和水库放空，对导流洞进行封堵、改建，在导流洞内布置1条输水放空管。

1 导流洞设计与改建

1.1 导流洞设计

导流洞设计洪水标准采用枯水期5年一遇，相应洪峰流量为25.3 m3/s。工程截流选择在施工期第1年枯水期的10月上旬，下闸时间为第2年12月底，导流时段历时14个月，经历1个汛期。

导流洞沿线地面高程430～483 m，地层为志留系中统石牛栏群（S2sh1）及下统龙马溪群（S1ln3），围岩岩性为砂质页岩、泥岩或砂质页岩与泥岩互层，弱-微风化为主，位于地下水位之下，构造迹象以节理裂隙为主，未发现断层。导流洞进口段边坡平缓，坡度35°～45°，基岩基本裸露，风化强烈，裂隙发育，局部覆盖第四系全新统坡残积碎石土，围岩类别整体为Ⅳ类。

导流洞采用圆拱直墙断面，底宽3.0 m，洞高3.5 m，其中直墙高2.63 m，拱高0.87 m，拱半径1.73 m，顶拱角120.0°。导流洞长287.2 m，进口高程428.0 m，出口高程425.2 m，底坡0.975%。导流洞段围岩类别为Ⅲ、Ⅳ类，采用一次锚喷与二次混凝土衬砌相结合的支护方式。Ⅲ类围岩洞段的一次支护为顶拱范围内设Φ20 mm系统锚杆，锚杆长3.0 m，间排距1.5 m×1.5 m，顶拱和边墙范围内喷混凝土厚度60 mm，二次支护采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.30 m；Ⅳ类围岩的一次支护为顶拱和边墙范围内设Φ20 mm系统锚杆，锚杆长2.5 m，间排距1.2 m×1.2 m，顶拱和边墙范围内挂网喷混凝土厚100 mm，网筋直径Φ8 mm，间距150 mm×150 mm，二次支护采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.40 m。

导流洞进口布置塔式进水口，长11.0 m，宽6.0 m，高26.9 m，顶高程454.50 m。进水口采用喇叭口形式，由3.2 m×3.2 m逐渐收缩至1.2 m×1.2 m，顺水流向依次设置拦污栅、事故检修闸门、进人孔和方变圆渐变段，底板高程为434.5 m。进水塔下方预留导流泄水孔，采用切角的方形断面，孔口尺寸为3.0 m×3.5 m，顶板厚3.0 m。进水塔与导流洞同时建设、一次建成。进水塔上游设置封堵闸，长4.4 m，宽6.0 m，闸孔尺寸为3.0 m×3.5 m，采用平板钢闸门，设计挡水水头25 m。

1.2 导流洞改建

导流洞主要改建项目为导流洞封堵、洞内输水放空钢管安装以及出口多功能调节阀室建设等。

输水放空钢管管径DN 1 200 mm，以明管形式布置在导流洞内。进水塔方变圆渐变段的中心高程为435.10 m，导流洞平管段首端中心高程为429.28 m，高差5.82 m，呈“龙抬头”型式连接，即钢管以转角为47.0°、转弯半径为4.0 m的上弯管段和转角为46.4°、转弯半径为5.0 m的下弯管段与平管段首端连接，水平投影长12.50 m。根据“龙抬头”钢管段布置，导流洞进口段开挖断面加大，横断面采用圆拱直墙断面，首端衬砌断面3.0 m×7.7 m，末端衬砌断面3.0 m×3.5 m，长12.50 m，断面4.0 m高处设置厚0.40 m的平隔板。导流结束后，将此段导流洞回填混凝土，作为钢管竖向转弯段镇墩。

根据导流洞布置，龙抬头段的末端下游5.168 m处为导流洞平面转弯段，转角39.2°，转弯半径45.0 m，布置在导流洞内的引水钢管相应转弯。根据SL 281—2003《水电站压力钢管设计规范》规定，明管转弯段宜布置镇墩。结合钢管镇墩布置，将回填封堵段延至钢管转弯末端下游的1.5 m处。妙隘水库导流洞封堵段布置如图1所示，导流洞封堵段断面图如图2、3所示。

图1 导流洞封堵段布置简图（单位：m）

图2 标准封堵段剖面图（单位：m）

图3 龙抬头段首端剖面图（单位：m）

作为供水兼放空设施的控制性建筑物，多功能调节阀室布置于导流洞出口处，阀室长13.2 m，宽8.2 m，高15.25 m，分上、下两层，下层为控制阀层，由主管分为3条支管，分别为水库放空管、生态基流管和输水管，管径分别为DN800 mm、DN250 mm和DN700 mm，支管上均设置控制阀；上层为地面层，高8.4 m，为框架结构，设置1台电动单梁起重机，跨度6.5 m，起重量为5 t。多功能调节阀室在导流结束后建设。

在工程导流期，上游水流经引渠、进水塔预留导流孔和导流洞导入下游河道。运行期下游供水、下放生态水量和水库放空的水流自进水口经布置于导流洞内的钢管，泄向下游，满足水库各项任务要求。

2 导流洞封堵设计

2.1 封堵体位置

根据本工程改建内容，导流洞回填封堵分为3段，封堵Ⅰ段即为封堵闸门下游的进水塔底部预留导流孔段，长12.45 m（含封堵闸门至进水塔间长1.45 m的孔段）；封堵Ⅱ段即为龙抬头段，长12.50 m；封堵Ⅲ段即为钢管平面转弯镇墩段，长37.456 m，则封堵段总长62.406 m。封堵混凝土采用C25W4二级配。

封堵Ⅱ段即龙抬头段，作为改建和回填封堵的重点部位，为主要封堵受力段，其纵向开挖段断面需满足输水钢管布置要求，呈顶部逐渐收缩的楔形封堵体。楔形封堵体将承受的荷载传递于隧洞围岩体，由于其受力条件好，超载能力较强，其长度主要由洞内引水钢管布置要求确定。

2.2 封堵体长度复核

因妙隘水库工程主要封堵段为不规则的楔形体，计算中按等断面导流洞计算封堵体长度，与楔形封堵体长度进行对比，复核其安全性。各封堵段的导流洞周圈洞壁（底板、侧墙和顶拱部位）要求在封堵施工前进行清洗和凿毛处理，以使新、老混凝土良好结合。

根据SL 279—2016《水工隧洞设计规范》规定，封堵体的抗滑稳定计算公式为：

式中 K——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数，规范规定不小于3.0；

ΣP——封堵体承受的全部荷载效应对滑动面的最大切向分值，kN；

ΣW——封堵体承受的全部荷载效应对滑动面的法向分值，向下为正，kN；

f′——混凝土与围岩（或混凝土）的抗剪断摩擦系数，取 f′=0.6；

C′——混凝土与围岩（或混凝土）的抗剪断凝聚力，取 C′=200 kPa；

Ai——除顶拱部位外，封堵体底面、侧面与围岩（或混凝土）接触面的面积，m2；

λi——除顶拱部位外，封堵体底面、侧面与围岩（或混凝土）接触面的有效面积系数，底面取1.0，侧面取0.3。

考虑静水压力、自重等荷载效应，满足等断面导流洞封堵段抗滑稳定安全要求的计算长度为6.8 m，计算过程见表1。

表1 等断面导流洞封堵段长度计算参数表

从表1可知，如仅采用导流洞中间段的等断面封堵体，长度不小于6.8 m即可，龙抬头段的楔形封堵体长度为12.5 m，可保证龙抬头段封堵体的抗滑稳定安全。

2.3 灌浆设计

导流洞衬砌后对顶拱120°范围内进行回填灌浆，孔排距3.0 m，钻孔深入围岩不小于0.1 m，灌浆压力0.3 MPa。

因导流洞断面较小，封堵体回填灌浆采用侧壁预留灌浆管道和出浆盒、顶拱部位预留排气槽和排气管的引接管方法。为保证灌浆质量，沿导流洞两侧直墙均布置管径DN40 mm的进浆管和备用进浆管1套、回浆管和备用回浆管1套，进浆管、回浆管之间设置竖向DN25 mm灌浆支管，间距为2.0 m，灌浆支管连接出浆盒，交错布置，使每一出浆盒负担的灌浆面积不大于6 m2。考虑到龙抬头段顶部混凝土不易回填密实，对该段增加出浆盒个数，缩小出浆盒负担的灌浆面积。封堵Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的顶部均设置排气槽，与DN32 mm排气管连接，与进、出浆管一同引至封堵体外。

灌浆施工在封堵Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的回填混凝土施工完毕，混凝土温度降至或接近稳定温度后进行，在承受荷载之前完成，按封堵Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段顺序依次灌浆，灌浆压力0.3～0.5 MPa。为防止在灌浆时漏浆，在封堵Ⅱ、Ⅲ段交界上游1.0 m处的二次衬砌周圈预留了一道橡胶止水片，在封堵Ⅲ段末端上游0.2 m处沿洞壁设置一圈遇水膨胀GB止水带。