前坪水库导流洞封堵体综合设计

尚俊伟 杨子江 杨安邦

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概况

前坪水库是一座是以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电的大型水库，水库总库容为5.84 亿m3。工程施工期间主要靠导流洞进行导流，根据坝址区地形条件，导流洞布置于大坝右岸山体内。导流洞进口设置控制段，内设平面钢闸门。控制段底板顶高程343.0m。洞身断面为城门洞型，宽7.0m，高9.8m，其中直墙高7.2m，拱矢高2.6m，拱顶中心角146°。洞身总长323.3m，呈直线布置，进口底板顶高程343.0m，出口底板顶高程342.0m。洞身段位于弱风化安山玢岩中，其饱和抗压强度64.7MPa，岩体裂隙较发育，裂隙走向以北西向为主，主裂隙走向与洞身段轴线夹角大于50°，岩体完整性差，围岩类别为Ⅲ类。

导流洞在完成其导流任务后需进行封堵，其能否顺利实施是水库蓄水的关键环节。前坪导流洞封堵标准采用非汛期100年一遇，经调洪演算，导流洞封堵闸门水位为373.25m。根据施工进度安排，封堵前坝体已填筑高程为423.5m，满足导流洞封堵条件。

2 建筑物级别及设计标准

导流洞封堵体为永久性挡水建筑物，设计标准与大坝相同，为1 级建筑物。设计洪水标准为500年一遇，相应库区洪水位418.31m；校核洪水标准为5000年一遇，相应库区洪水位422.41m。

3 位置和体型选择

为了保证水库的整体防渗效果，导流洞封堵体的位置选择在大坝防渗帷幕中心线与导流洞洞身相交处，建成后的封堵体与大坝防渗帷幕连成整体。为降低施工难度，缩短施工工期，保留原有一衬结构（底板及边墙围岩设置键槽），将其表面凿毛处理后直接在洞内浇筑封堵体混凝土。

4 封堵体长度确定

4.1 计算方法

4.1.1 抗滑稳定理论法计算

该方法为《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016）推荐方法，其具有概念清晰，受力明确的优点，考虑了荷载、断面尺寸、形状以及围岩与封堵体间的凝聚力、摩擦系数等诸多因素。公式如下：

式中：

K—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

R—封堵体承载力设计值；

f '—混凝土与围岩或者混凝土与混凝土的抗剪断摩擦系数，该工程分别取0.8 和1.0；

C '—混凝土与围岩或者混凝土与混凝土的抗剪断粘聚力，kPa，该工程分别取值500 和1000；

Ai—除顶拱部位外，封堵体底面、侧面与围岩或者混凝土接触面的面积，m2；

λi—除顶拱部位外，封堵体底面、侧面与围岩或者混凝土接触面的有效面积系数，该工程底面取值1.0，侧面取值0.6。

4.1.2 圆柱面冲压剪切计算方法

该方法为《水工隧洞设计规范》（SL 279-2002）推荐方法，主要是对封堵体底部及两侧进行抗冲切计算，安全条件是周界上的平均剪应力小于岩石与混凝土之间的容许剪切应力，公式如下：

L ≥P / [τ] A

式中：

L—封堵体长度，m；

P—迎水面总水压力，MN；

[τ]—容许剪应力，MPa，一般取值（0.2～0.3）；

A—封堵体剪切面周长，m。

4.1.3 经验公式法

该方法主要根据工程实践经验总结得来，以挡水水头或者洞径尺寸做参考，采用以下公式估算：

L=（3～5）H/100

或L ≥3D

式中：L—封堵体长度，m；

H—挡水水头，m；

D—封堵体洞径，m。

4.2 计算结果

前两种方法计算的封堵体长度分别为19.62m 和24.26m，取计算大值，封堵体长度按照25.0m 设计，亦满足经验公式法确定的经验长度。

5 封堵体设计

5.1 总体布置

封堵体施工前依靠导流洞控制段闸门下闸挡水，然后再进行封堵体混凝土浇筑，且在混凝土内预留固结灌浆管和回填灌浆、接缝灌浆系统。封堵体整体浇筑不留分缝，分两个阶段实施，第一阶段将原衬砌混凝土表面凿毛100mm 后直接浇筑一期封堵体混凝土，一期封堵体前段为实体混凝土，长4m，后段长21m，内设2.5m×3.0m 的灌浆廊道，分层施工并设置冷却水管。封堵体混凝土达到稳定温度且强度不小于设计强度70%后进行回填灌浆和接缝灌浆，回填灌浆结束7d 后，按照逐步加密的原则进行固结灌浆。固结灌浆结束后采用微膨胀混凝土对灌浆廊道进行回填。全部封堵体施工完成后，利用导流洞进口控制段预留管进行注水排气。

5.2 细部设计

5.2.1 锚筋设计

为了增加封堵体新老混凝土之间的连接，根据一衬厚度以及连接要求，将一衬表面凿毛处理后，植入直径φ=28mm 钢筋，总长度1.65m（伸入一衬0.65m）；锚筋按照间距2.0m×2.0m 布置，遇到围岩系统锚杆可适当调整位置错开布置。

5.2.2 排水设计

考虑下闸挡水后，存在闸门漏水的可能，而封堵体位于隧洞中段，需考虑施工期间挡水、排水措施保证正常施工。设计在封堵体前部设置一道2m高简易混凝土围堰，同时在围堰和封堵体下部预埋一根带闸阀的DN300 排水管，可以将施工期闸门漏水引排至下游，保证封堵体正常施工。另外为了保证正常挡水期封堵体不漏水，在封堵体廊道浇筑前将排水管采用水泥浆封堵。

5.2.3 灌浆设计

封堵体灌浆根据其作用主要分为固结灌浆、回填灌浆和分缝灌浆，在混凝土浇筑时预留相应的灌浆系统，并在上下游断面处设置止浆片，防止浆液外流。

封堵体浇筑后，随着混凝土热量的释放，其温度逐渐达到稳定值，封堵体混凝土的收缩容易在拱顶位置以及新老混凝土接触面上产生空隙，需要对这些部位进行回填或者接缝灌浆，增加其整体性。设计时在拱顶部位以及新老混凝土接触面预留直径φ=50mm 灌浆主管、直径φ=32mm 支管以及排气管，该工程待混凝土温度达到稳定温度14℃时且混凝土强度达到设计强度70%后进行回填和接缝灌浆。特别需要指出的是预留排气管的必要性，排气孔可以在灌浆过程中将空隙中的空气排出，使得灌浆密实，另外为了保证实施过程中灌浆管的通畅，顶拱灌浆管均设置了一套备用管，灌浆压力一般采用0.3～0.5MPa，可根据现场试验调整。

回填和接缝灌浆结束7d 后，可以利用混凝土中预留φ=50mmPVC 固结灌浆管，在封堵体廊道中对围岩进行固结灌浆，灌浆深度为入岩不小于5m，间距30°，排距3m，灌浆压力一般1.0～1.2MPa。灌浆结束后，采用微膨胀混凝土对廊道进行封堵。

5.2.4 排气设计

由于闸门至封堵体之间有约150m 的洞体，为了防止封堵后闸门进水时洞内发生气爆，设计在闸门控制段预留6 根直径φ=100mmPVC 管，其中三根排气管管口高程高于校核洪水位，另外三根进水管管口高程控制在373.25m，利用其注水排气，将洞内压缩空气排出。

封堵体属于大体积混凝土，浇筑过程应避免或者减少温度裂缝产生，消除封堵体挡水过程中的漏水隐患。为充分了解封堵体的工作情况，在容易产生裂缝的新老混凝土结合面上选择典型断面布置8支渗压计和8 支测缝计进行监测，并做好资料记录和分析，为工程安全运行提供判断依据。

6 结语

导流洞封堵体作为水库蓄水的关键部位，设计时应根据工程的具体情况，同时考虑施工难度，选择合适的体型、计算边界条件和参数，优化布置型式。实施过程要重视灌浆设计和温度控制，减少封堵体裂缝的发生，避免运行期漏水。另外还要结合原型观测数据，对封堵体运行状态进行分析，保证工程运行安全■