小中河水电站导流洞堵头设计与施工

扶志斌

（湖南建工集团有限公司,湖南 长沙 410004）

1 工程概况

小中河水电站挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1564.20 m,坝顶长度124.00 m，最大坝高40.00 m。为一高水头、长引水式电站。设计装机容量为22 MW，额定水头833.6 m。

施工导流采用一次拦断河床时段围堰挡水的隧洞导流方式。时段围堰挡水标准为时段11月～次年4月频率10%的洪水，导流洞运行期设计最大泄量约为38 m3/s，最大流速约为10 m/s。导流洞布置在右岸，全长271.19 m。洞身段进水口底板高程1533.50 m，出水口底板高程1522.00 m，纵坡6.5%。隧洞断面采用2 m×2.1 m（宽×高）圆拱直墙型，顶拱中心角180°。进水口结构设封堵门槽，封堵闸门采用平板钢闸门。

2 堵头设计

2.1 堵头的设计标准

导流洞堵头为永久建筑物，其设计级别、稳定及防渗要求等均等同于面板堆石坝，为4 级建筑物，设计洪水标准为100 年一遇，设计洪水位为1562.00 m，校核洪水标准为500 年一遇，校核洪水位为1562.22 m。

导流洞堵头属永久工程，应与大坝防渗帷幕结合成整体。根据面板堆石坝结构及其帷幕布置，从平面上看，导流洞从帷幕以下经过，洞顶距原设计帷幕底线5 m～8 m（垂直距离）。因为导流洞距帷幕线较近，在导流洞开挖施工中，围岩完整性会受到影响。为保证大坝防渗帷幕的完整性，防止形成渗水通道，将永久堵头布置在导流洞与大坝趾板平面相交位置。堵头施工完成后在导流洞内进行帷幕补强灌浆，并将堵头包裹在内，与防渗帷幕结合成整体。

2.2 堵头段地质条件

导流洞埋深2.0 m～67 m，根据开挖揭露的实际地质情况，导流洞围岩岩性为灰白色、肉红色中细粒花岗岩，中等风化至微风化，岩石坚硬，节理少量发育，多呈闭合状，为Ⅰ、Ⅱ类围岩，地下水主要为基岩裂隙潜水。在导流洞进、出口段各25 m长范围，采用钢筋混凝土衬砌，其余洞段采用喷锚衬砌。

导流洞永久堵头计算地质参数建议值：混凝土与Ⅱ类围岩抗剪断摩擦系数为1.2；堵头混凝土与Ⅱ类围岩抗剪断粘聚力为1.2 MPa。

2.3 堵头长度计算

a）计算工况

本工程设计洪水位为1562.00 m，校核洪水位为1562.22 m。堵头处洞底高程约为1528.965 m，设计水头33.04m，校核水头33.26 m。

永久堵头抗滑稳定根据《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195-2004）承载能力极限状态验算方法，按以下2 种工况进行计算：基本组合，上游设计水位1562.00 m情况；偶然组合，上游校核洪水位1562.22 m情况。

b)计算公式

作用效用函数：S（·）=∑PR

抗力函数：R（·）=fR∑WR+CRAR

式中：∑PR为滑动面上封堵体承受的全部切向作用之和，kN；∑WR为滑动面上封堵体全部法向作用之和，向下为正，kN；fR为混凝土与围岩的摩擦系数；取为1.0；CR为混凝土与围岩的粘聚力，取为1.0×103kPa；AR为除顶拱部位（90°～120°）外，封堵体与围岩接触面的面积，m2；

各作用效应组合按下列设计表达式计算：

承载能力极限状态基本组合表达式：

承载能力极限状态偶然组合表达式：

式中：γ0为结构重要性系数，对于结构安全级别为Ⅲ级的结构采用0.9；ψ为设计状况系数，对于持久、短暂、偶然分别采用1.0、0.95、0.85；γd1为承载能力极限状态基本组合的结构系数，取为1.2；γd2为承载能力极限状态偶然组合的结构系数，取为1.2；αk为几何参数的标准值；fk为材料性能的标准值；γm为材料性能的分项系数；Gk为永久作用的标准值；γG为永久作用的分项系数；Qk为可变作用的标准值；γQ为可变作用的分项系数；Ak为偶然作用的代表值。

设堵头的长度为L、堵头的面积A=3.7708 m2，封堵体剪切面周长，不计顶拱长度，周长S=4.2 m。

偶然组合时：

解得：L=0.77 m。

同样可算出基本组合时：L=0.90 m。

经计算，堵头长度为0.9 m即可满足稳定要求。实际布置时，为了便于与大坝防渗帷幕结合成整体，确定堵头长度为10.4 m。

类比国内已建类似工程，堵头长度多数是洞径的2.5倍～3倍、挡水水头的1/3～1/4，本工程导流洞永久堵头设计长度10.4 m、约为洞径的5 倍，约为挡水水头的1/3。因此，堵头长度取10.4 m是合适的。

2.4 堵头结构设计

堵头需满足稳定和防渗需要，本工程堵头挡水位水头较高，堵头所受的荷载较大，但是导流洞断面较小，周边围岩地质条件较好，结合计算分析，封堵体采用等截面素混凝土结构。混凝土强度等级为C20，抗渗等级为W6，为增加防渗效果，在堵头上下游设置两道止水铜片。导流洞堵头结构设计见图1。

图1 导流洞堵头结构设计图

3 施工组织

堵头回填施工程序：清除松动岩石并用高压水冲洗干净→布设灌浆系统→堵头混凝土浇筑→围岩与堵头混凝土顶拱回填灌浆→接触灌浆→（导流洞封堵处）主坝趾板帷幕补强灌浆。

3.1 施工准备

1）导流洞进水口设有进水口结构和进水口闸门，封堵蓄水时，由进水口闸门下闸封堵，进行永久堵头的施工。

2）先将导流洞内积水抽干后，检查全洞围岩稳定性，如发现安全隐患应先进行处理。为保证堵头混凝土与围岩的有效接触，堵头施工前将堵头段原喷锚混凝土凿除，对松动围岩应清除，并冲洗干净。

3.2 混凝土浇筑

封堵模板采用木模板，为加强混凝土与基岩之间的粘聚性，混凝土浇筑前铺设一层5 cm厚水泥砂浆。混凝土采用混凝土泵入仓，一次性浇筑完成。由于采用泵送混凝土，为保证混凝土的流动性和和易性，混凝土的塌落度控制在200 mm～230 mm之间。为保证堵头达到稳定温度后进行灌浆，砼内部埋设间距1.2 m冷却水管。

3.3 灌浆设计施工

灌浆由预埋灌浆管进行，堵头混凝土的强度需达到70%以上、稳定温度≤17℃后，再进行回填、接触灌浆，灌浆压力0.2 MPa～0.3 MPa。根据现场揭露的地质资料，围岩为微新岩石，无需进行固结灌浆。回填灌浆和接触灌浆均采用预埋管，引至堵头下游端进行。

3.3.1 回填灌浆

堵头混凝土由于受顶拱限制，很难将顶部浇筑满，因此需要在顶拱埋设回填灌浆管。回填灌浆在顶拱90°范围内进行，回填灌浆管孔距为1.5 m，排距为1.5 m，灌浆压力0.2 MPa～0.3 MPa。在堵头混凝土强度达到设计强度的70%以上后进行。在设计压力下，灌浆管停止吸浆，即灌浆完成。

3.3.2 接触灌浆

接触灌浆是为了充填堵头混凝土后期冷却收缩产生的与基岩面之间的缝面，堵头混凝土与围岩间应进行接触灌浆，接触灌浆灌浆管孔距为1.5 m，排距为1.5 m，灌浆压力0.3 MPa～0.5 MPa。接触灌浆需在堵头混凝土达到稳定温度后进行。

4 结语

导流洞堵头受地形、地质条件及大坝帷幕灌浆位置的影响，堵头为永久建筑物，其设计级别、稳定及防渗要求等均等同于挡水建筑物，为了保证堵头的封闭性，后期灌浆施工尤为关键。小中河水电站下闸蓄水发电约8年时间，导流洞堵头未出现渗水和漏水现场，为水电站大坝的安全运行提供了有力保障。