居甫渡水电站导流洞封堵设计探讨

孙碧飞

【摘要】居甫渡水电站于2005年1月25日实现大江截流，2008年4月20日导流洞下闸，2008年汛前完成封堵，2008年12月三台机试运行完成，并网发电。导流洞封堵是电站发电前的关键要素，本文主要论述导流洞堵头结构的体型及安全稳定性，以期对其它的导流洞封堵设计有所借鉴和指导。

【关键词】居甫渡；导流洞；堵头；灌浆；稳定性

1、工程概况

1.1 主体工程

本工程枢纽主要由以下建筑物组成：拦河大坝、溢流表孔、冲沙底孔、消力池、电站进水口、引水隧洞、地面厂房和下游河道护岸工程等。

水库正常蓄水位522m，校核洪水位522.7m，最大坝高95m，总库容7.74亿m3，属周调节水库。电站总装机容量285MW，多年平均发电量13.07亿kW·h。工程规模属大（2）型，工程等别为Ⅱ等，大坝为2级建筑物，其它主要建筑物为3级。

1.2 导流工程

导流方式：初期采用河床一次断流，枯期围堰挡水，导流洞泄流，汛期导流洞与围堰联合过流的导流方式；中后期为坝体挡水，导流洞、冲砂底孔及坝体缺口联合过水的导流方式；导流洞和导流底孔下闸后，由冲砂底孔及溢流表孔联合泄流。

导流标准：导流建筑物级别为Ⅳ级，初期导流，工程截流后的第一个枯期导流标准采用12月～5月枯期时段10年一遇洪水，相应设计流量为Q=1860m3/s；汛期围堰过水，防洪设计标准采用全年20年一遇洪水，相应设计流量为Q=6520m3/s；中后期坝体临时断面挡水的设计标准采用全年100年一遇洪水标准，相应的设计流量为Q=9370m3/s。

2、下闸封堵

导流洞下闸程序，先下1孔，45min后下另1孔。导流洞下闸时间于2008年3月下旬进行，下闸设计流量采用区间P=10%频率流量和龙马水电站1台机组发电流量组合，Q=154m3/s，第1孔下闸对应下闸水位464.344 m，下闸水头4.344m，第2孔下闸对应下闸水位466.896 m，下闸水头6.896m。

导流洞下闸后，为确保导流洞明洞段的结构安全，因此堵头施工时间确定为2008年4月～2008年5月，考虑龙马水电站3台机发电流量和区间4月～5月P=10%频率流量组合，相应设计流量Q=854 m3/s，由冲砂底孔和一孔溢流表孔联合泄流，相应上游水位502.114m。

3、封堵体设计

3.1 设计标准

导流洞堵头为永久建筑物，建筑等级为二级。根据大坝设计运行工况和建筑物等级综合分析，堵头设计水位为水库设计洪水位522.00m，相应设计水头62.00m；校核水位为水库校核水位522.70m；相应校核水头为62.70m。导流洞进口封堵闸门仅作为水库初期蓄水和保护堵头施工之用，堵头设计中闸门的作用应不予考虑。结构设计主要考虑结构稳定性与防渗效果。

3.2 位置选择及布置

堵头的布置应遵循以下原则：

（1）地质条件。堵头要求布置在岩石完整、坚硬、无裂缝的Ⅱ、Ⅲ类围岩区。

（2）当洞线与大坝防渗帷幕线相交时，若相交出岩石满足原则（1），则将防渗帷幕

与堵头结合布置，若不满足原则（1），则在帷幕与把轴线之间选择。

（3）避免在帷幕和堵头之间有漏水通道。

考虑导流洞堵头布置需同大坝防渗帷幕结合，故导流洞堵头布置于导0+296.615m～导0+321.615m，同时导流洞施工时已预留堵头的位置。

3.3 结构型式

3.3.1 堵头体型

堵头的型式必须在安全可靠的前提下，力求简单实用，施工方便，而且导流期间对水流影响小。堵头纵断面体型按照楔形体设计。在工程施工中堵头段已按楔形体断面进行开挖并进行了混凝土衬砌。堵头横断面设计为马蹄型，最大断面尺寸为13.67m×17.00m（宽×高），最小断面尺寸为11.60m×14.00m（寬×高）。

施工时为了有效排除闸门与堵头前面的洞内渗水，保证封堵施工的顺利进行，在堵头前缘设置14m×1m×1.8m（长×宽×高）的混凝土临时挡水坎，并在底部埋设2根φ500mm排水钢管，排水管上游端设置封堵阀门和后期灌浆、连通管。

3.3.2 堵头长度确定

（1）设计依据。堵头属永久建筑物，建筑物等级为二级，设计与校核标准与水工混凝土重力坝相同，设计水头62.00m，校核水头为62.70m。

（2）基本假定。

a. 堵头挡水后，水压力经堵头传递到堵头与岩石或堵头与原衬砌混凝土的接触面上。

b. 堵头与原衬砌混凝土及围岩均假定为线弹性连续体；

c. 经过凿毛后，堵头与原混凝土之间的接触面是连续的；

d. 原混凝土与围岩之间的接触面是连续的；

e. 围岩及堵头内渗透水压力忽略不计；

f. 剪应力沿接触面是均匀分布；

g. 实际存在的地应力、围岩高低不平及底板齿槽形成的嵌槽抗剪力等作为安全储备不参与计算；

（3）计算方法

现阶段堵头长度基本上都是在计算的基础上参考类似工程类别确定。各种方法计算结果相差较大，抗滑稳定柱面冲切计算概念明确，较多的反映了封堵体的工作状态，但是都没有考虑围岩对封堵体的作用。抗滑稳定计算中参数的选取对计算结果影响很大。柱面冲切法计算结果经国内几个工程反映与有限元计算结果接近，但多数工程都未将计算值直接用于实践。参考其它工程导流洞堵头长度，考虑一定的安全余度，本工程堵头长度取20m。

堵头结构见图1。

3.3.3 堵头稳定性复核

参照《水工隧洞设计规范》（DL5195-2004）9.0.5-1、14.2.4-1、14.2.4-2，《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）8.2.1中柱状封堵体的抗滑稳定公式进行复核：

3.3.4 灌浆廊道

根据经验，廊道上游侧端头距堵头上游面距离不小于0.5倍最小堵头断面，灌浆廊道宽、高尺寸均应小于堵头断面宽和高的0.6倍，由抗滑稳定公式计算得出廊道上游端头距堵头上游临水面距离为10m，灌浆廊道断面尺寸为5m×4m，顶拱角90°，城门洞形。

3.4 材料设计

堵头属于永久挡水建筑物，承受水头约62.7m。混凝土强度等级C2820，抗渗等级W6，抗冻等级F50，采用二级配（Dmax=40mm）泵送混凝土。

水泥拟采用具有不收缩性能的42.5级中热硅酸盐水泥，或425号低热微膨胀水泥；掺合料采用Ⅰ级粉煤灰，采用中热硅酸盐水泥时粉煤灰最大掺量30%，采用低热微膨胀水泥时不掺粉煤灰；骨料采用卡渡桥灰岩料场或小弧山料场开采加工的灰岩人工骨料；外加剂可同时采用具有减水和引气效果的复合外加剂。

3.5 灌浆设计

（1） 回填灌浆。 通过预留的灌浆管对顶拱120°范围内进行回填灌浆，灌浆压力：0.2～0.3MPa；

（2） 固结灌浆。堵头四周环向360°，进行固结灌浆，入岩深度10m，灌浆孔排距2.5m，灌浆孔中心角30°，每圈12孔，排间交错布置。灌浆压力：1.0～1.5MPa；

（3） 对堵头混凝土与隧洞衬砌混凝土之间进行接缝灌浆，灌浆压力：0.2～0.3MPa。

3.6 混凝土温控设计

堵头混凝土采用分层浇筑方式，经稳定温度场、不稳定温度场、温度应力及二期冷却计算分析，堵头混凝土应在2008年03月～05月施工，推荐浇筑分层及顺序为：共分五层，下部457.017m～460.500m一层，中部460.500m～469.500m分三层，顶部469.500m～474.017m一层，浇筑温度不超过18.0℃，设计容许最高温度不超过42.0℃，层间间歇5天～7天。

堵头需进行一期、二期通水冷却。冷却水管铺设在每个浇筑层底部及坯层中，采用外径32mm、内径28mm、单根长度不超过300m的HDPE塑料水管，蛇形布置，水平間距不大于1.5m，与周边间距为0.8m～1.0m。下料浇筑混凝土时开始一期通水冷却，水管进水口水温约17.0℃，混凝土温度降至30±1.0℃时结束，通水时间不少于20d；二期通水在各段最顶层混凝土一期通水结束后10天进行，水管进水口水温约10.0℃，混凝土温度降至16±1.0℃时结束。

4、结语

（1） 导流洞堵头是与坝体同样重要的建筑物，其施工是工程建设的重要环节，稍有不慎就将导致严重后果，必须引起各方的足够重视。

（2） 堵头长度计算方法较多，优化余地较大，通过计算，实验，工程类比，选择既安全、又经济的设计长度。

（3） 目前居甫渡导流洞已经封堵完成，电站按期发电，堵头运行安全稳定。

参考文献：

[1] 春光魁、伍鹤皋、杨鑫平著，马来西亚巴贡水电站导流洞封堵设计计算，西北水电，2006.6.

[2] 水利水电工程施工组织设计手册，中国水利水电出版社，1996.8.