熊金萍

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014）

0 概述

隧洞导流、全断面围堰基坑围护施工是水利水电工程施工组织中最常见的导流方式之一。在完成基坑围护施工任务后，导流隧洞需在水库蓄水前完成封堵，通常在导流隧洞进口预设闸门设施进行临时封堵。为了水库长期可靠蓄水运行，导流隧洞需在临时封堵后，选择合适洞段采用混凝土堵头方式进行永久封堵。堵头的方案设计、结构布置决定了堵头结构可靠性和安全性，并影响整个工程的安全可靠运行。

1 堵头型式

常用的堵头设计型式一般采用混凝土重力式，典型的结构布置如图1所示。

堵头位置要与水库拦河坝防渗系统统一考虑，一般选择在帷幕防渗轴线上，设置在隧洞岩体围岩完整性好的洞段。为保证隧洞围岩与堵头混凝土能够很好地结合，一般在导流隧洞封堵闸门下闸临时封堵后，将该段开挖成前大后小的楔形状，沿水压力方向形成瓶塞效应，以增加堵头抵抗水压力推力下的稳定性。

图1 堵头结构型式示意图Fig.1 Structure of the plug

堵头设计可采用一段式，即整个堵头不分横缝，一次浇筑完成，顶拱进行回填灌浆，需要时在堵头端部打斜孔对岩体进行固结灌浆。大断面导流隧洞堵头长度较长，为便于施工，保证混凝土堵头施工质量和灌浆质量，一般设计成两段，除了回填灌浆和固结灌浆外，两段堵头之间还要进行接缝灌浆。

导流隧洞进口临时封堵后，往往由于止水效果不理想，加之堵头前隧洞渗水影响，常造成一段式堵头施工条件不良，堵头混凝土施工质量难以保证。所以小型导流隧洞的堵头设计也常采用两段形式，在前段堵头完成后，形成临时封堵后的又一道较为可靠的阻水设施，同时利用前段堵头施工中预埋的管路，可将渗漏水排到后段堵头施工范围之外，给后段堵头创造良好的施工条件，保证堵头混凝土施工质量。大断面导流隧洞当遇到导流洞下闸临时封堵后漏水量较大并影响施工时，往往还需要在两段式堵头前再加长一段临时性堵头（或围堰）。

2 堵头设计

2.1 堵头设计标准

一般情况下，导流隧洞堵头按照永久建筑物标准设计，可取与工程永久挡水建筑大坝相同的标准设计，即堵头的承压水头按大坝相同的设计洪水位和校核洪水位进行设计和校核分析计算。

2.2 堵头设计参数

混凝土堵头的结构安全按照沿岩石面滑动抗剪断稳定计算分析，根据工程具体的岩石/混凝土抗剪断参数（摩擦系数f'和凝聚力值c'）、混凝土容重等进行分析计算。抗剪断计算公式如下：

式中：γ为堵头混凝土容重（t/m3，为了安全起见，建议取浮容重）；ω为堵头断面面积（m2）；L为堵头长度（m）；B为堵头底宽（m）；H为堵头设计/校核水头（m）。

考虑到顶拱及边墙部分由于施工条件及混凝土收缩因素，即使通过灌浆，堵头混凝土与岩石接触面仍可能不够密实，抗剪断稳定计算中不考虑该部分对抗滑稳定计算的影响，而作为稳定计算的安全储备。根据SL 319-2005《混凝土重力坝设计规范》，建议的混凝土堵头抗滑稳定安全系数为：设计工况K'为3.0，校核工况K'取2.5。

另堵头长度可参考下列经验公式与上面抗剪断公式进行验证对比计算：

式中：η为系数，η=0.015～0.02，当H＜100 m时，取大值；当H≥100 m时，取小值。H为堵头设计/校核水头（m）；D为堵头混凝土计算直径（m）。

对直径较大、承受水压力较大的混凝土堵头，建议应用三维有限元进行复核分析计算，验证堵头长度及围岩加固措施。

3 堵头结构布置及施工要求

如前文所述，堵头一般沿水压力方向设计成前大后小纵断面形式，为了便于施工，保证堵头混凝土施工质量，堵头常设计成前后两段形式。为了增加堵头结构的可靠性，在堵头工程量不太大的情况下，建议前后两段堵头均按可独自满足抗滑稳定要求的长度设计。

两段式堵头设计一方面可保证堵头混凝土施工质量，另一方面在工程运行若干年后，万一需打开堵头进行放空水库检修施工，两段式堵头更利于拆除施工。

两段式的后段混凝土堵头中，常常预留灌浆廊道，进行堵头与周边围岩的固结灌浆和接触灌浆施工，以进一步提高混凝土堵头及周边围岩的结构安全。

隧洞堵头段二次开挖需严格按图施工，建议采用基础保护层控制爆破的开挖方式，尽可能不破坏隧洞围岩，隧洞堵头段不允许欠挖，以形成较好的“瓶塞”体形。堵头段隧洞周边松动岩石及侧墙喷混凝土和底板混凝土均要求全部挖除，并进行清理。

堵头段围岩固结灌浆，主要目的增加围岩与堵头混凝土之间的抗渗能力及结合力，可采用手风钻在混凝土堵头预留的灌浆孔内打孔，建议一般水头条件下（100 m以内）孔深需深入围岩4.0 m，灌浆时，灌浆塞必须埋在堵头混凝土中。在固结灌浆的同时兼顾接缝灌浆，灌浆压力可比隧洞衬砌的固结灌浆压力适当提高。为保证堵头整体性，前后堵头两段之间的施工横缝四周也可进行接缝灌浆，灌浆实施可采用预埋灌浆管法，灌浆压力可用0.5 MPa。为解决灌浆排气问题，在堵头顶拱处设置排气管，当排气管返浆后，方可关闭阀门。

堵头混凝土浇筑完成后，顶拱部位需进行回填灌浆施工。为防止浆液在围岩与混凝土之间外漏，堵头混凝土两侧模板周边采用水泥砂浆（必要时可以掺水玻璃）堵塞。灌浆孔可采用手风钻在堵头混凝土浇筑时预留的灌浆管内打孔，孔深深入围岩20 cm，回填灌浆压力可高于隧洞衬砌的回填灌浆压力。考虑到顶拱及边墙部分由于施工条件及混凝土收缩因素，即使通过灌浆，堵头混凝土与岩石接触面仍可能不够密实，因此建议堵头混凝土施工中掺微膨胀剂，混凝土膨胀剂掺量需通过试验确定，一般掺量为水泥用量的5%。

建议一般水头条件下的堵头混凝土强度标号可采用C20，抗渗标号为W8。为减少混凝土凝固过程中水泥水化热引起的混凝土应力等不良影响，混凝土堵头内部可设计布置多层冷却水管，用于混凝土堵头内部冷却。冷却水管规格一般采用25 mm镀锌铁管，冷却水管安装后，在浇筑混凝土之前须用6～7个大气压的高压水冲洗，如有漏水或堵塞，必须处理完毕后方可浇筑混凝土。冷却水一般采用河水进行通水冷却，通水时间12 d左右。前5 d的冷却水流量可稍大，此后的通水流量可适当减小。

堵头下方埋设的排水管，其管径大小视封堵闸门漏水量大小情况而定，排水管上游端应至少设两道止水环，排水管及阀门应至少能承受该堵头设计水头的水压力，灌浆工作全部结束后方可关闭阀门。

为监测混凝土堵头施工质量及运行状况，建议设计在堵头内有针对性地埋入温度计和测缝计等观测设备。

[1]DL/T5195-2004，水工隧洞设计规范[S].

[2]SL 319-2005，混凝土重力坝设计规范[S].

[3]水利水电施工组织设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，1996.