申美红 吴平安 耿 静

(华北水利水电大学，河南郑州 450011)

0 引言

堵头设计是水利工程施工中导流洞和施工支洞的重要组成部分。在目前的水工设计规范中关于堵头结构的设计和稳定性计算方法没明确的规定，国内外已建工程所采用的堵头长度和结构形式也没有统一标准。虽然有限元法在工程界得到广泛的使用，但导流隧洞封堵堵头长度的确定，目前常用的方法主要为SL 279-2002水工隧洞设计规范(简称水利版)、DL/T 5195-2004水工隧洞设计规范(简称电力版)和经验公式。

1 工程简介

某抽水蓄能电站主要由下水库及下水库泄洪排沙闸坝、上水库及上水库钢筋混凝土面板堆石坝、上下水库进出水口、地下厂房洞室系统、地下输水洞室系统及地面开关站等建筑物组成。上库面板堆石坝施工期临时度汛标准采用50年重现期大汛洪水，流量为72．00 m3/s，2011年下闸前度汛采用导流洞过流，坝体挡水，下闸后按水库正常运行调蓄洪水。

2 导流洞布置

上库导流洞位于上库坝右岸山坡处，经趾板上游至坝体下游，轴线桩号0+065．76 m与15号趾板X线相交。导流洞洞身桩号为导0+000．00m～导0+322．61 m，洞身总长度约为322．61 m，为城门洞形，宽为3m～4m，高3．2m～4m，洞轴线方向由进口至出口为S300E～S650E。除岩石条件较好洞段未采取支护外，其余洞段进行了钢筋混凝土支护。进口底板高程330．00 m，出口底板高程 313．00 m，底坡 5．27%。

导流洞分封堵段和未封堵段两部分，封堵段桩号0+060 m～0+075 m，封堵长度15 m。导流洞封堵段上覆岩体厚度10 m～15．5 m，围岩为弱风化的混合花岗岩，岩石较坚硬，岩石一般完整，未见有断层和岩脉通过，围岩基本稳定，为Ⅱ类围岩。由于该洞段在坝趾趾板防渗帷幕线范围内，施工时设计对该洞段进行了混凝土衬砌。混凝土/岩石抗剪断强度f'=1．1，C=1．1 MPa。

3 导流洞堵头位置的确定

为确保封堵效果良好，选定封堵段在上库坝帷幕灌浆线与导流洞交叉位置。帷幕灌浆线与导流洞中心线相交的桩号为导0+065．76 m。

4 导流洞堵头长度的确定

4．1 计算条件

由于封堵段位于导流洞的衬砌洞段，因此，计算选取开挖断面和衬砌后的断面分别进行计算。开挖断面为4．0 m×4．0 m的城门洞形，相应的断面面积为14．54 m2，衬砌后的断面为3．0 m×3．0 m的城门洞形，相应的断面面积为8．25 m2。偏安全考虑，计算断面周长均不计顶拱长度。

堵头段开始桩号为导0+060．00 m，底板高程为326．84 m，各种水位下的水头及水压力见表1。

表1 导流洞封堵体水头及压力表

地质力学参数:根据该抽水蓄能电站工程现场设代组地质提供的资料，上水库导流洞堵头的部位为微风化岩层，属Ⅱ类围岩。地质提供抗剪断摩擦系数f'=1．1(混凝土/花岗岩)，粘聚力C'=1．1 MPa。混凝土层面间抗剪断参数:根据DL/T 5108-1999混凝土重力坝设计规范，偏于安全考虑，混凝土层面间抗剪断摩擦系数 f'=1．0，粘聚力 C'=1．0 MPa。

4．2 计算方法

1)水利版规范计算公式。SL 279-2002水工隧洞设计规范推荐方法，按“圆柱面冲压剪切原则”确定封堵段长度。公式为:

其中，L为堵头长度，m;P为封堵体迎水面承受的总水压，MN;［τ］为容许剪应力，取0．2 MPa～0．3 MPa;A 为封堵体剪切面周长，m。

2)电力版规范计算公式。DL/T 5195-2004水工隧洞设计规范推荐方法，按“柱状封堵体进行抗滑稳定计算”。公式为:

其中，γ0为结构重要性系数;ψ为设计状况系数;γd为结构系数，取1．2;S(·)为作用效应函数(考虑荷载分项系数);R(·)为结构抗力函数;∑PR为滑动面上封堵体承受全部切向作用之和，对于施工支洞来说主要是内水压力;∑WR为滑动面上封堵体全部法向作用之和，向下为正，对导流洞来说主要是封堵体自重、渗透压力、围压等;fR为混凝土与围岩的摩擦系数;CR为混凝土与围岩的粘聚力;AR为除顶拱部位(90°～120°)外，封堵体与围岩接触面的面积。

如果堵头周边原导流洞衬砌混凝土挖除，则fR采用混凝土与围岩的摩擦系数，CR采用混凝土与围岩的粘聚力;如果堵头周边原导流洞衬砌混凝土不挖除，则fR采用混凝土与混凝土的摩擦系数，CR采用混凝土与混凝土的粘聚力。

3)经验公式:

其中，D为混凝土堵头直径，堵头为非圆时，取纵向或水平向较大值;H为作用水头，m。

4．3 计算结果

1)按“圆柱面冲压剪切原则”进行计算时:

按开挖断面计算:L≥P/(［τ］×A)=0．671 6 ×14．54/［0．2 ×(4+2 ×2．76)］=5．13 m。

按衬砌断面计算:L≥P/(［τ］× A)=0．671 6 ×8．22/［0．2 ×(3+2 ×2．13)］=3．82 m。

2)按“柱状封堵体抗滑稳定计算法”进行计算时:

按开挖断面计算:L≥3．8 m。

按衬砌断面计算:L≥3．2 m。

3)按经验公式计算时:

按开挖断面计算:L=67．16 ×4/50=5．37 m。

按衬砌断面计算:L=67．16 ×3/50=4．03 m。

计算结果见表2。

表2 三种堵头计算方法结果表 m

就水利版和电力版的区别来看，水利版没有考虑混凝土与围岩的相互作用，而笼统的将［τ］取为0．2 MPa～0．3 MPa，因而结果不如电力版的合理;然而电力版公式由于考虑围岩和混凝土之间相互作用较大，从而使得抗力较大，所求得封堵体的长度较小;综合以往设计经验，经验公式在高水头时结果一般偏于保守。

综合以上三种计算结果封堵体承受最大水头为67．16 m，如果采用计算结果5．37 m作为封堵体长度，则封堵体的水力梯度为67．16/5．37=12．51，此值较大。另外封堵体布置在大坝帷幕灌浆线上，因而对封堵的结构稳定及渗透稳定要求较高。因此以上计算成果，结合其他类似工程的实际情况，并考虑到渗透稳定，以封堵体最大水力梯度为5控制，取施工支洞堵头长度为15 m。

5 导流洞封堵稳定复核

封堵段位于导流洞的衬砌洞段，因此封堵体形状为断面3．0 m×3．0 m的城门洞形长15．0 m的柱状体结构。根据DL/T 5195-2004水工隧洞设计规范规定:封堵体应采用混凝土结构，其迎水面强度等级不宜低于C20，其他部位不宜低于C15。此工程中封堵体混凝土采用C20W8，水泥采用中热水泥。分别按开挖断面和衬砌后的断面进行复核。

5．1 封堵体抗滑稳定复核

按混凝土重力坝抗剪断公式进行复核。

考虑浮托力作用时，修正的抗剪断公式表达形式为:

其中，L为安全系数(设计 K=3．0，校核 K=2．5)，在此偏安全取3．0;γ1为水的容重;γ2为混凝土的容重;f'为抗剪断摩擦系数;ai为i部位界长上的有效接触系数(周界接触条件为混凝土与混凝土时，底部a=1．0，侧壁和顶部口a=0，周界为混凝土和岩石时，底部口 a=1．0，侧壁口 a=0．8 ～1．0，顶部 a=0)。

封堵体承受最大水头为67．16 m水头，封堵段长度15 m，开挖断面面积14．54 m2，衬砌后断面面积8．22 m2，封堵体剪切面周长(不计顶拱)开挖断面为9．52 m，衬砌后断面为7．26 m，容许剪应力取 0．2 MPa。

按开挖断面复核结果:

按衬砌断面复核结果:

由以上可知，按开挖断面复核:封堵体长度为3．07 m。按衬砌断面复核:封堵体长度为5．05 m。

因此，无论按开挖断面还是衬砌断面复核，封堵体15 m的长度满足抗滑稳定的要求。

5．2 封堵体渗透稳定复核

根据计算结果及封堵体承受最大水头，结合导流洞的布置及与上库坝帷幕的相对位置关系等因素，以及封堵洞段的围岩地质条件，综合考虑封堵体结构抗滑稳定和渗透稳定，最终选取尾流洞封堵体长度为15 m，为导流洞开挖断面宽(高)度的3．75倍。封堵段的最大水力梯度为4．48，小于张性节理裂隙密集带和断层破碎带的临界水力梯度5(经验值)，满足渗透稳定要求。

6 结语

导流洞堵头是按永久水工建筑物进行设计。设计洪水标准为200年一遇，设计洪水位393．60 m;校核洪水标准为1000年，校核洪水位394．00 m。为保证堵头安全运行，在堵头设计上，除按上述设计标准进行设计外，还进行必要的一些安全措施储备:导流洞堵头位置选择在围岩条件较好的Ⅱ类～Ⅲ类围岩，无破碎带、无溶洞、无断层等洞段上;堵头段封堵施工期进行固结灌浆对围岩进行加强处理;采用低热微膨胀混凝土，解决温控和防裂问题;堵头内布置预埋管，解决顶拱回填难题;并采用接缝灌浆以增加堵头段混凝土与围岩之间的粘结力;另外封堵体最大水力梯度按不超5控制封堵体长度，保证了封堵体渗透稳定。通过这些设计措施，堵头的安全性更大，能满足挡水及渗透稳定的要求。

［1］DL/T 5108-1999，混凝土重力坝设计规范［S］．

［2］SL 319-2005，混凝土重力坝设计规范［S］．

［3］SL 279-2002，水工隧洞设计规范［S］．

［4］DL/T 5195-2004，水工隧洞设计规范［S］．

［5］甘文喜．水工隧洞堵头设计探讨［J］．人民长江，2001(5):34-36．

［6］董志宏，丁秀丽．大型水电工程导流洞封堵体稳定性分析［J］．长江科学院院报，2011(2):50-55．

［7］杨静安，伍鹤皋．大型水电站导流洞堵头结构与稳定分析［J］．水电能源科学，2007(1):94-97．

［8］罗纬邦，牛万吉．某水利枢纽工程导流洞封堵体设计与施工［J］．水利水电技术，2010(12):50-53．