2.7 导流隧洞永久封堵

2.7.1 堵头设计标准

导流隧洞永久堵头与大坝设计标准相同，为1级永久建筑物，其设计标准为1000年一遇洪水标准设计、10000年一遇洪水标准校核。龙滩水电站分2期建设，相应一期设计洪水位为377.26m，校核洪水位为381.84m；二期设计洪水位为400.93m，校核洪水位为404.74m。导流隧洞堵头按二期建设水位设计，相应最大设计挡水水头为175.43m、校核挡水水头为179.24m。

2.7.2 堵头结构设计

2.7.2.1 堵头布置

大坝帷幕线在左岸穿过了导流隧洞洞身，在右岸则置于导流隧洞洞顶之上。堵头布置考虑与大坝防渗帷幕结合成整体，布置于导流隧洞的中前部，与大坝防渗帷幕结合成整体，左、右岸导流隧洞堵头长度均为45.0m，每条堵头混凝土量为13500m³。堵头混凝土采用C20外掺MgO微膨胀混凝土，MgO掺量4%～5%。

为增加堵头的稳定性，在导流隧洞施工时，堵头段洞身衬砌已按堵头设计的楔形断面进行了扩挖和混凝土施工，最大扩挖深度为3.5m，同时，为提高堵头混凝土与原衬砌混凝土之间结合的整体性，在导流隧洞左右侧墙各预留了24块3.0m×1.0m×0.15m（长×宽×高）的键槽，堵头施工前拆除覆盖在键槽上的钢板及木塞，并对堵头段洞身衬砌混凝土进行凿毛处理。

考虑到导流隧洞进水口结构及封堵闸门结构安全，为使堵头尽快具备初期挡水条件，堵头采取分段施工的方式，第1施工段长25.0m，第2施工段长20.0m，分段施工缝后期进行接缝灌浆。为方便灌浆施工，在堵头段下游33.00m范围内设置有城门洞形灌浆廊道，廊道尺寸为4.0m×5.0m（宽×高）。

2.7.2.2 堵头稳定计算

为方便施工，堵头段外轮廓在隧洞开挖时一次成型，堵头施工时直接在堵头段衬砌混凝土面上浇筑，原衬砌混凝土不再爆破开挖。为此，计算复核了堵头体与原衬砌混凝土之间及与围岩间的抗滑稳定。

计算主要采用《水工隧洞设计规范》（DLT 5195—2004）中封堵体抗滑稳定计算公式：

式中：S（·）为作用效用函数；R（·）为抗力函数；∑P为堵头上游面承受的水压力；f′为堵头混凝土与原衬砌混凝土面（或与围岩）抗剪断摩擦系数，见表2.19；c′为堵头混凝土与原衬砌混凝土面（或与围岩）抗剪断黏聚力，见表2.19；∑W为堵头自重；A为堵头混凝土与原衬砌混凝土的接触面积，考虑到施工及混凝土收缩等因素，边、顶接触面质量不易保证，对接触面积予以折减，底板考虑全部接触，两侧边墙考虑40%～60%接触；γ₀为结构重要性系数，堵头为1级结构，取为1.1；ψ为设计状况系数，对应于持久状况，取为1.0；γ_d1为基本组合结构系数，取为1.2。

同时，采用《重力坝设计规范》（SDJ 21—78）的抗剪断强度公式复核。

式中：K₀为基本组合不小于3.0，特殊组合不小于2.5，并分别考虑用自重摩擦力安全系数和凝聚力安全系数复核。

式中：K₁为摩擦力安全系数，取1.05～1.15；K₂为凝聚力安全系数，取4～6；其他符号意义同前。

也采用了《水工隧洞设计规范》（SL 279—2002）封堵体抗冲剪公式复核。

式中：［τ］为容许剪应力，取0.2～0.3MPa；S为封堵体剪切面周长。

综合计算分析成果，并参考国内其他同等规模工程的堵头设计长度，取堵头长度为45.0m，其中第1段25.0m长堵头可满足上游330.00m以下水位的抗滑稳定要求。

2.7.2.3 堵头应力分析

采用三维有限元方法对堵头进行了应力计算和分析，分别模拟了第1段堵头单独承受库水位320.00～375.00m水头及后期第1、2段堵头共同承受永久挡水水头的工况。计算表明：

（1）当第1段堵头单独承受320.00～375.00m外水水位时，堵头混凝土的第一主应力绝大部分相应在0.34～-0.61MPa和0.47～-0.97MPa（“-”号表示压应力，下同）范围内，迎水面拱座附近由于考虑堵头体与衬砌顶拱脱离，局部应力集中，最大拉应力值相应达到了1.52～1.63MPa；堵头混凝土的水流向变形最大值相应为1.36～1.98mm，出现在迎水面拱顶附近。在堵头混凝土与原衬砌接触面上，堵头体顺水流向正应力均为压应力，375.00m水位时应力范围为-1.50～-0.30MPa，均远小于混凝土的抗压强度；接触面法向应力除堵头顶拱及拱座距迎水面1m范围内出现应力集中、拉应力为0.1MPa外，其余24.0m长度范围内均为较小的压应力，说明堵头混凝土与衬砌间是受压贴紧的；接触面剪应力除拱座附近考虑堵头体与衬砌顶拱脱离，在320.00～375.00m水位局部应力集中值相应达1.332～1.8MPa外，其余部位相应在0.3～0.5MPa以内。衬砌混凝土与围岩接触面在距迎水面4m即堵头扩挖段范围内，应力普遍衰减迅速，堵头扩挖段以后应力变化相对平缓，距迎水面4m以后段第一主应力均在0.5MPa以内、接触面剪应力均在0.3MPa以内。

（2）当第2段堵头施工完毕，第1、2段施工缝接缝灌浆完成，共同承担最高设计水位时，堵头混凝土的第一主应力绝大部分在0.39～-1.1MPa范围内，迎水面拱座附近由于考虑堵头体与衬砌顶拱脱离，局部应力集中，最大值达到了1.86MPa，其余部位拉应力大都小于混凝土的抗拉强度；堵头混凝土的水流向变形最大值为2.34mm，出现在迎水面拱顶附近；在堵头混凝土与原衬砌接触面上，堵头体顺水流向及垂直水流向正应力均为压应力，相应最大压应力分别为-1.70MPa、-0.73MPa，均远低于混凝土抗压强度；接触面上剪应力除拱座附近考虑堵头体与衬砌顶拱脱离，局部应力集中最大值达2.06MPa，且分布范围很小外，其余部位剪应力最大值均小于0.5MPa，往下游剪应力逐渐降低，第2段堵头剪应力均小于0.3MPa。衬砌混凝土与围岩接触面应力分布规律与第1段堵头先期受力时相同，在距迎水面4m即堵头扩挖段范围内，应力普遍衰减迅速，以后应力变化相对平缓，距迎水面4m以后段第一主应力均在0.5MPa以内、接触面剪应力均在0.3MPa以内。

（3）第1段堵头单独承受375.00m水位和两段堵头共同承担设计水位404.74m工况下，堵头段围岩应力除上游端拱座附近由于堵头向下游变形带动，分别相应出现0.42MPa、0.50MPa的拉应力，以及底板和断层相交部位局部区域分别相应出现了0.98MPa、1.11MPa拉应力外，其余部位均为压应力，整体压应力小于10MPa。

综合计算分析，认为第1段堵头（25.0m）在上游水位为320.00～375.00m时，堵头整体的应力值普遍较小，可以满足强度设计要求，只是在堵头迎水面至扩挖段附近的应力数值较大，存在局部混凝土拉裂脱开的可能。这是由于堵头体形的变化以及断层的影响，在堵头体上部混凝土和洞壁接触面出现拉应力，应采取加强锚杆支护以及回填灌浆等施工措施，防止上游混凝土与围岩接触面的拉裂。

在第1段堵头和第2段堵头共同承担上游最大设计水头时（水位404.74m）时，堵头处于稳定状态，但第2段堵头的应力值明显小于第1段堵头，为了充分利用第2段堵头，应对第2段堵头尽快施工，尽早与第1段堵头共同承担上游水压力。

2.7.2.4 堵头段围岩处理

左岸堵头段围岩属Ⅲ₁～Ⅱ₁类岩石，为新鲜-微风化厚至中厚层砂岩、夹泥板岩，完整性中等，多为硬性结构面，有贯穿性光滑结构面及个别贯穿性破碎夹少量泥的结构面。右岸堵头段属Ⅲ₂～Ⅳ₁类围岩，为新鲜-微风化硅质板岩夹少量灰岩、粉砂岩，岩体中多为硬性结构面，有贯穿性光滑结构面和个别破碎夹少量泥的结构面。

导流隧洞运行前，左岸导流隧洞第1段堵头及其上游的所有洞段、右岸导流隧洞堵头及其上游的所有洞段围岩均进行了固结灌浆，灌浆孔、排距3.0m，孔深8.0m，灌浆压力0.5～0.7MPa。同时，考虑到与大坝帷幕相接，在导流隧洞运行前，分别在左、右岸导流隧洞与大坝帷幕相交的位置布置了两排帷幕灌浆，灌浆孔距2.0m，底板部位孔深40.0m，边墙及顶拱部位孔深8.0m，灌浆压力1.0～6.0MPa。

为保证堵头安全，在堵头混凝土施工后，采用高压固结灌浆对堵头段围岩进行处理。在原帷幕灌浆线附近布置固结灌浆深孔，孔深8.0m，灌浆压力3.5～4.0MPa，兼具防渗帷幕的作用，其余固结灌浆孔入岩深4.0m，灌浆压力2.5～3.0MPa。

2.7.2.5 堵头回填、接触及接缝灌浆

根据堵头段结构强度、稳定要求，结合堵头所在地段的地质条件，除进行堵头顶部回填灌浆外，还对堵头混凝土与原衬砌混凝土间、原衬砌混凝土与围岩间布置有接缝、接触灌浆，回填灌浆压力0.4～0.5MPa，接缝灌浆压力0.3～0.5MPa，接触灌浆压力0.3～0.5MPa。

实际施工时，堵头段围岩高压固结灌浆和原衬砌混凝土与围岩间接触灌浆结合进行，首先兼顾接触灌浆要求，对孔口入岩0.8m段单独钻孔灌浆，灌浆压力0.8MPa，然后再分段进行余下孔段的钻孔灌浆。

2.7.2.6 堵头施工冷却系统

为减少堵头混凝土的水化热温升，除对堵头混凝土采取综合降温措施外，堵头混凝土施工时，每隔1.50m设置一层φ25mm冷却水管。施工初期通河水冷却，2月底以后采用制冷水，通水水温与混凝土内部温差按不大于20℃控制，堵头最终稳定温度为15℃。

2.7.3 堵头运行监测

两条导流隧洞于2006年9月30日下闸，导流隧洞堵头于2007年5月施工完毕。根据监测资料分析，截至2009年11月底，堵头混凝土接缝、应力应变及温度变化主要受混凝土浇筑及环境温度影响，蓄水过程中只在小范围波动，影响不明显，目前已趋于平稳；堵头前部渗透压力较大，受蓄水过程影响较为明显，渗透压力沿程衰减很快，第2段堵头中部渗压值一般仅为第1段堵头前部渗压值的2%～18%，目前测值较稳定。不同监测断面渗压实测过程线如图2.7所示。堵头有效应变特征值显示堵头总体处于受压状态，压应力在允许范围内。左右岸导流隧洞堵头处于正常工作状态。

图2.7 导流隧洞堵头渗压计实测过程线