某导流隧洞堵头设计与施工
【摘要】导流隧洞堵头施工工序复杂，工期控制亦相当严格。本文导流隧洞堵头承受水压力大，堵头断面设计为截锥形，堵头长度仅为洞径的1.96倍。堵头段的施工从原断面的扩挖、锚筋的施工、观测仪器的安装、混凝土的浇筑、回填灌浆至挡水运行仅34天。在施工过程中为确保高温条件下混凝土顺利泵送和浇筑质量采取了一系统的措施，并以理论计算和实测数据验证了这些措施的有效性。该研究对水工隧洞堵头的设计和施工具有参考价值，为类似工程提供了宝贵经验。
【关键词】导流隧洞，堵头设计，施工措施，温度控制
1概述
该水电站为引水式开发，主要建筑物有碾压混凝土拱坝，右岸1#、2#泄洪洞、引水发电系统和地面厂房组成。导流隧洞长380m，城门洞型，断面为6×5.25m(高×宽)。堵头承受水压力达87.5m水头。导流隧洞封堵是该水电站蓄水的最后一项工程，导流隧洞封堵后，该水电站即可运行发电。
2堵头设计
2.1堵头设计的原则与假定
由于堵头设计在水工建筑物设计规范中没有相应条款可循，一般根据工程的具体情况，拟定出堵头的设计原则，并作出相应的假定进行计算。多数设计者采用的原则和假定如下[1]：
(1)堵头属永久建筑物，设计和校核标准与相应的水工建筑物相似；
(2)堵头应安全可靠，稳定性和防渗性好，堵头应与大坝的防渗帷幕形成整体；
(3)水压力（必要时计入浮托力）是作用于堵头的唯一外荷载；
(4)堵头是水头荷载沿周界产生静剪力的刚性体，剪应力沿周边均匀分布；
(5)堵头混凝土的抗压强度是安全的，只作抗滑稳定计算；
(6)实际存在的地应力、围岩高低不平形成的嵌槽抗剪力等作为额外安全储备，不参与计算[2]。
通过对已运行堵头的观测和分析，这些假定基本上满足了堵头的使用要求。近年来，采用有限元对一部分大型工程堵头和周围一定范围内的岩体进行分析计算，也证明了按上述原则和假定设计的堵头是完全能够长期安全运行的。
2.2堵头稳定计算
导流隧洞堵头稳定计算：水库在正常蓄水位和校核洪水位情况下，导流隧洞堵头及堵头区围岩安全稳定，根据《水利水电工程施工组织设计手册》：
(1)抗剪断强度公式：
式中：P─设计水头的总推力，以87.5m水头计算
K─安全系数，规范规定设计工况K=2.5，校核工况K=3
L、A、S─堵头长度、断面面积和断面周长
r─混凝土容重，取r=2.5t/m3
─抗剪断面积有效系数，取0.7～0.75
f─混凝土与岩石接触面的摩擦系数
C─混凝土与岩石接触面的抗剪断凝聚力
(2)各种荷载作用的分项系数公式：
式中：K1─摩擦力的分项系数，取1.3
K2─凝聚力的分项系数，取3
K3─水平推力荷载分项系数，取1
K4─混凝土自重分项系数，取0.9
(3)计算结果
根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)附录D，II类围岩混凝土与岩石接触面抗剪强度指标（f=0.75~0.65，C=1.10~1.30Mpa）。并参照已建工程经验及本工程岩体抗剪断强度指标，取f=0.7，C=1.15Mpa。计算出堵头长度L=15m。堵头位于导流隧洞0+150~0+165m段，该位置岩性好，为II类围岩。
2.3结构设计
导流隧洞堵头为永久工程，属三级建筑物，设计洪水标准为50年重现期洪水，校核洪水标准为500年重现期洪水。由于本工程堵头挡水位水头较高，堵头所受荷载大，因此堵头型式采用截锥形以增加堵头抗滑稳定性，扩挖后堵头最大断面尺寸B×H=7m×7.65m。底板及边墙布置锚筋(Φ20，L=2.6m，梅花型布置，间排距1.5m)，为解决施工期堵头上游封堵闸门的渗漏排泄问题，在堵头底部布置2根Φ150排水管(待堵头回填灌浆后进行封堵)。导流隧洞设计结构见图1所示。
2.4设计主要工程量
导流隧洞堵头设计工程量见表1。
表1导流隧洞堵头设计工程量表
3施工技术措施
3.1施工准备
导流隧洞进水口下闸后，在封堵段上游用砂袋做一临时小围堰挡渗漏水，并用2根Φ150排水管将渗水引至堵头下游，作为堵头施工期临时性排水设施。以防止在进行导流隧洞封堵段扩挖和浇筑混凝土过程中水流的干扰。待排水系统形成后，进行封堵位置的扩挖、锚筋等施工工作。
3.1.1封堵段的扩挖
封堵混凝土位于导流隧洞0+150～0+165段，该段岩性为花岗岩，为II类围岩。扩挖采用手风钻钻孔。爆破工程多以建筑物所在位置的最大质点振动速度作为判别爆破振动对建筑物的破坏标准。为控制爆破冲击波对围岩的影响，采用的经验公式[3]：
V=K（Q1/3/R）a
式中：V─爆破地震对建筑物及地基产生的质点垂直振动速度（cm/s）
K─与岩土性质、地形和爆破条件有关的系数，取150
a─爆破地震随距离衰减系数，取1.5
Q─炸药量，延期爆破时最大单响药量（kg）
R─从爆破地点药量分布的几何中心至被保护对象的水平距离（m）
R─爆破中心点离观测点距离
根据破坏标准，V≤5cm/s时，可充分保证围岩的安全。计算出最大单响爆破药量：Qmax=71.1kg，在此药量下的爆破将安全可靠。本工程爆破网络采用孔间微差顺序爆破方式。药卷为Φ32mm，2#岩石乳化炸药，单支药卷长度20cm，单支药卷重量200g。钻孔内装入ms10段非电雷管，孔间用ms2段非电雷管联接，排间用ms5段非电雷管联接。控制的爆破最大单响药量不超过25kg，完全满足安全要求，从而保证了爆破对围岩的破坏影响，工程实际爆破效果很好。
3.1.2封堵段的锚筋
设计采用的锚筋规格为Φ20，单根长为2.6m，其中伸入基岩2.0m，外露0.6m。锚筋孔用手风钻钻孔。锚筋孔钻孔前先由测量人员根据审定的设计图纸进行实地放样、安装样架，然后按要求施钻。钻孔过程中重点是对孔深、孔斜等项目的控制。施工工艺图如下图2所示。
3.2混凝土浇筑
浇筑前先将封堵段底板上的泥土等杂物清除，将封堵段边顶拱的油、粉尘等清洗干净。堵头上、游模板用组合钢模板，顶拱部位用木板补缝，模板密封情况好。浇筑混凝土前先铺一层2cm厚的水泥砂浆。以保证基岩面和混凝土之间的凝结力。
为加快施工进行，混凝土一次全断面浇筑完成。鉴于洞内施工的特殊性，混凝土浇筑采用混凝土泵运至仓面。混凝土泵设在导流隧洞出口位置，混凝土经拌合楼生产后，由自卸汽车运至导流隧洞出口位置，由装载机转料至混凝土泵，再由混凝土泵送至封堵位置，总运距2.8km，其中泵送距离为220m。仓面作业时搭设工作平台，人工用高频振捣棒进行振捣。
3.3混凝土浇筑中的温控措施
为实现早日发电，导流隧洞封堵混凝土一次浇筑完成，混凝土方量大，浇筑期间为夏季。在高温下，导流隧洞封堵混凝土有效进行温控是保证封堵部位不渗水的关键。大体积混凝土由外荷载引起的裂缝的可能性很小，而混凝土硬化期间水化过程释放的水化热，浇筑温度所产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用，由此产生的温度应力和收缩应力，是导致结构出现裂缝的主要因素。混凝土的最高温升值主要由浇筑温度和水泥水化热两部分组成。因此，减少水泥用量、降低混凝土出机温度和控制混凝土的浇筑温度是限制混凝土内部最高温升和混凝土内外温差的关键。为达到既能控制温度裂缝，又能在高温情况下顺利泵送混凝土，主要采用了如下方式。
3.3.1限制水泥用量，降低混凝土内部水化热
(1)选用水化热低的水泥
采用发热量低的水泥和减少单位水泥用量，是降低混凝土水化热温升的最有效措施。根据试验表明，不同品种水泥单位发热量相差10cal/g。本部位使用水化热较低的42.5型水泥，其早期的水化热比同龄期的普通硅酸盐水泥低，3d的水化热约低20%。
(2)掺加磨细粉煤灰
堵头混凝土掺入了成都华能电厂的磨细Ⅱ级粉煤灰，根据实验资料表明，这样不仅改善混凝土的粘聚性和可泵性，而且可节约水泥。每方混凝土中的水泥用量，每减少10kg，其水化热将混凝土的温度相应降低落1~1.2℃。
(3)选用优质外加剂
堵头混凝土掺入了山西凯迪建材有限公司生产的UEA微膨胀剂。该微膨胀剂在空气中膨胀率28d达0.0017%，在水中膨胀率28d达0.079%。从而能有效的抵消水化热温升引起的混凝土收缩变形。
3.3.2原材料降温，控制混凝土出机温度
出机温度指混凝土组成材料经搅拌出机后测得的混凝土拌合物温度。为降低混凝土的出机温度，关键是对原材料采取了如下的降温措施：
(1)在砂石料仓安设水管，在中午高温期间喷雾保湿。
(2)控制混凝土中水的温度，混凝土中水的用量虽然较少，但它的比热较大，故需降低水的初始温度。该部位拌合用水温控制在12℃以下。
3.3.3加强混凝土保湿保温养护
堵头混凝土浇筑完并达到拆模强度后，并不立即拆除下游面模板，这样可以减少混凝土中心与表面的温差，防止产生温差裂缝。当实测混凝土中心温度下降后，拆除下游面模板，并进行表面洒水养护，防止产生表面裂缝。
3.3.4对混凝土温度进行内部监控，及时掌握混凝土温度变化动态
该导流隧洞封堵混凝土内共埋有四支温度计，基岩内埋有两支混凝土。对混凝土进行温度观测的目的是为了掌撑混凝土内部实际最高温升和混凝土中心至表面的温度梯度，并确定最佳接缝灌浆时间。根据观测结果，导流隧洞封堵混凝土内部温度变化见图3所示。其最高温度出现在浇筑混凝土后的第七天，达到了61.4℃。
3.4回填灌浆
堵头混凝土在顶层施工条件面狭小，施工人员无法进入，很难将顶部浇满。为此在顶拱预埋回填灌浆管。回填灌浆管路采用镀锌钢管，灌浆压力控制在0.3~0.5Mpa范围内。回填和固结灌浆采用P•O42.5水泥，水泥各类性能指标应达到国家规定标准。回填灌浆按分序加密的原则进行，分为两个次序施工，各次序灌浆的间隔时间不得小于48小时。回填灌浆采用纯压式灌浆法，浆液水灰比位为1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1（重量比）4个比级，在设计压力下，灌浆孔停止吸浆，即结束回填灌浆。
3.5排水管封堵
当回填灌浆满足强度要求后，即进行2根Φ150排水管的灌浆封堵。为便于在灌浆过程中浆液不通过排水管进行上游，在安设排水管时，在排水管进口设有逆止阀，当灌浆压力达到一定值时，逆止阀即可逆向关闭，从而阻止浆液通过排水管进入上游。
3.6接缝灌浆
接缝灌浆是为了充填堵头混凝土后期冷却收缩与基岩面之间的缝面。接缝灌浆需待混凝土的温度与基岩温度相同，并待接缝宽度大于0.5mm以上（混凝土掺入了膨胀剂，在一定程度上可以补偿一部分收缩裂缝）才进行。根据观测结果，在蓄水前不具体灌浆条件，实际接缝灌浆是在蓄水达六个月后才进行的。
4结束语
(1)该导流隧洞堵头施工，从2007年5月10日开始进行洞身断面的扩挖至6月12日开始挡水发电，根据近两年多时间的监测资料分析成果和运行结果看，尚未出现裂缝，堵头四周无一点漏水现象，堵头下游面混凝土表面也无一点渗水现象，堵头运行正常。该导流隧洞封堵混凝土在工期要求十分严格下获得了成功。这一成功经验为今后的水电工程隧洞堵头设计和施工起到很好的借鉴作用。
(2)从观测结果看，混凝土中心最高温度尽管达到了61.4℃，但混凝土内外未出现收缩裂缝，主要是因为混凝土中掺入了微膨胀剂UEA，在一定程度上抵消了混凝土的收缩变形。
(3)从设计上看，混凝土内部温度降低至与基岩面相同通常需要一个漫长的过程，而导流隧洞封堵段能否挡水发电直接影响着工程效益。该导流隧洞封堵混凝土是在未进行接缝灌浆条件下挡水发电，在一定程度上承担着风险。因此，需采取相应降低风险的措施还需进一步探索。
参考文献
[1]甘文喜水工隧洞堵头设计探讨人民长江，2001,（5）
[2]林正伟水工隧洞堵头用常规法与有限元法计算的差异水力发电，2002，（1）
[3]任尚卿陈飞水利水电工程爆破施工技术规范DLT5135-2001，2002