翁养水库导流洞封堵设计研究

刘 路

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 引言

我国已建成的水库大坝为世界最多，其中小型水库数量占比为95%，小型水利工程对国民经济发展起了非常重要的作用。导流洞封堵体作为永久性建筑物，其级别与挡水建筑物一致。传统的导流洞封堵技术方法，主要是在导流洞进口设置临时封堵闸门，创造干地施工条件，然后进行封堵体的施工。在封堵体施工期间，河道断流，造成下游河水补给来源不足，容易导致生态环境恶化。导流洞封堵蓄水期的下游河道脱水断流，已成为水利工程建设中备受关注的问题。

翁养水库工程位于贵州省黔东南州雷山县西江镇脚尧村，所在河流乌尧河为长江流域沅江水系清水江三级支流，水库总库容78.8 万m3，工程等别为Ⅴ等，工程规模属小（2）型。水库挡水建筑物、泄水建筑物等永久性主要建筑物为5级，输水建筑物为4 级，次要建筑物为5 级，临时建筑物为5级。通过对翁养水库进行综合分析，提出了一种封堵体内部埋设导流管的封堵方案，既能保证封堵体永久稳定，又能满足施工期间生态流量下放要求，该方案简单实用、经济合理，可为类似小型工程的导流洞封堵提供参考。

2 导流洞概况

根据翁养水库工程总体布置，导流洞位于大坝右岸，洞长150 m，隧洞纵坡为3.98%，导流洞采用城门洞型，断面尺寸为3.0 m×3.25 m（宽×高）。导流标准采用5 年一遇（P=20%）枯水期（11 月～次年4 月）洪水，相应洪峰流量26.1 m3/s。导流洞进出口处为Ⅳ类围岩，岩体的稳定性较差，易塌方，开挖后初期支护采用喷10 cm混凝土和长度2.5 mφ22间距2.0 m系统锚杆支护；洞身段为Ⅲ类围岩，初期支护采用喷10 cm厚混凝土防护设计，二期采用全断面衬砌，衬砌厚度为40 cm。

3 封堵体设计

3.1 封堵体方案布置

导流隧洞若不兼有其他功能，则需要进行永久封堵，即在隧洞内浇筑一定长度的混凝土堵头，封堵体的常见型式有瓶塞形、短钉形、拱形、柱形等[1]。翁养水库导流洞最大设计水头约30 m，设计水头相对较小，因此选用形式较简单、施工较方便的柱形体型。

根据翁养水库施工进度计划安排，导流洞封堵时段选定在12月上旬，洪水标准为5年一遇（P=20%）的12月平均流量，相应流量为Q=0.05 m3/s。河道生态流量按坝址多年平均流量的10%，即0.019 m3/s。为了满足导流洞封堵期间泄放河道生态流量的要求，同时考虑到封堵时段洪水流量较小，本工程采用导流管引流+柱形混凝土封堵体的方式。

此封堵方案有以下特点：

1）不需要在进口设置临时封堵闸门，节约投资；

2）封堵体柱形断面开挖方便，施工简单，能缩短工期；

3）导流管既能在封堵期间下泄洪水，又能保证河道不断流，满足生态流量要求。

翁养水库导流洞永久封堵体布置形式见图1，封堵体位置设置于大坝防渗帷幕线上，封堵体布置桩号范围为D0+049.560～D0+058.560，封堵体总长度为9.00 m。隧洞衬砌采用40 cm厚的C25 钢筋混凝土，采用双层配筋。在衬砌四周布置固结灌浆孔，入岩5.0 m，间排距3.0 m，梅花形布置。封堵体采用常态C25 混凝土，在隧洞C25 钢筋砼衬砌与封堵体C25 砼之间布置接缝灌浆系统。

图1 导流洞封堵布置图

导流洞封堵体分两期施工，一期施工长度3.00 m，二期施工长度6.00 m。一期封堵体施工时，上游采用袋装黏土围堰临时挡水，封堵体内埋设DN200 导流管下泄洪水，导流管同时兼具下放生态流量的功能。一期封堵体混凝土达到28 天龄期后，开始控制导流管出口阀门来进行初期蓄水，在满足生态泄流量的同时逐渐关小阀门，当库区水位上升至大坝放水底孔高程时，彻底关闭导流管阀门，生态流量通过大坝放水底孔进行下放，然后开始二期封堵体施工。

3.2 导流管过流能力计算

导流洞封堵采用袋装黏土围堰临时挡水+埋设DN200导流管临时导流的方式，导流管过流能力按有压管泄流公式[2]，如下：

式中：Q为管道下泄流量，m3/s； 为流量系数；T0为管道出口底板以上总水头；w为管道出口断面面积； hp为管道出口断面水流的平均单位势能。

根据来洪水量和生态泄量要求，初拟了3种管径，导流管对比情况见表1。

表1 导流管管径比选表

由表1知，导流管进口水面高程0.7 m时，方案一泄流能力太低，方案二和方案三泄流能力均大于12 月平均洪水流量0.05 m3/s，也大于生态流量标准0.019 m3/s。但方案二管径比方案三小，导流管造价更低，故推荐导流管管直径为0.2 m。对于临时袋装黏土围堰，考虑0.5 m的安全超高和0.3 m的波浪爬高后，围堰高度确定为1.5 m。

3.3 永久封堵体长度计算

导流隧洞永久封堵体的最小长度按以下三种方法综合确定。

（1）经验公式

有压隧洞封堵体长度按照混凝土封堵洞径或洞宽的3 倍以上确定[1]。翁养水库导流洞为城门洞型，洞宽3 m，故根据经验公式，封堵体最小长度取为9 m。

（2）冲压剪切公式法

根据刚体极限平衡理论，在低水头情况下可采用以下公式进行计算[1]：

式中：L为封堵体长度，m；P为封堵体迎水面总压力，计算得3804.67 kN；[τ]为容许剪应力，取0.2 MPa；A为封堵体剪切面周长，计算得4.59 m。

经此公式计算，校核工况下，封堵体最小长度取为5.39 m。

（3）抗剪断强度计算的抗滑稳定公式

此法为《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016）推荐方法：

式中：L为封堵体长度，m；K为安全系数，校核工况取3.0；P为封堵体迎水面总压力（计算得3804.67 kN）；A为封堵体与围岩接触面面积，（单延米长计算得4.59 m2）；f'为混凝土与岩石的摩擦系数：0.5；C'为混凝土与岩石的凝聚力：0.3 MPa。

经此公式计算，校核工况下，封堵体最小长度取为7.61 m。

通过以上三种方法的计算，永久封堵体最小长度取值范围为5.39 m～9.0 m。参考已建的类似工程，考虑安全富余、施工条件和其他异常情况，导流洞永久封堵体实际长度确定为9.0 m。

4 施工方案

4.1 施工流程

导流洞封堵主要施工流程为：①袋装土石围堰填筑；②导流管埋设；③导流洞衬砌施工；④围岩固结灌浆；⑤一期封堵体施工；⑥导流管阀门关闭；⑦二期封堵体施工；⑧回填灌浆和接缝灌浆。

4.2 导流洞衬砌施工方案

导流洞衬砌段长9.0 m，分两期施工，一期施工长度3.0 m，二期施工长度6.0 m。采用全断面衬砌，衬砌厚度40 cm。衬砌段采用长度3.0 mφ25 系统锚杆，外露0.15 m，间排距1.5 m，梅花形布置。导流洞衬砌段在顶拱60°范围内进行回填灌浆，间距3.0 m。固结灌浆采用梅花形布置，入岩5.0 m，间排距3 m。

锚杆钻孔采用手风钻直接进行施工。顶拱、两边墙锚杆施工前先搭设钢管脚手架，在脚手架上设工作平台。钻设成孔后采用高压风进行冲洗，将孔内岩粉、碎屑彻底冲出孔外。锚杆安装采取先注浆后插锚杆的方式进行。

衬砌使用的混凝土应选用经过检验合格的材料配制，每次入仓铺筑的混凝土层厚度控制在30 cm～50 cm。采用人工进行平仓，振捣利用插入式振捣器及插钎完成。

回填灌浆钻孔采用手风钻钻孔，孔径50 mm，要求钻孔入岩10 cm，在混凝土浇筑时预埋回填灌浆管。回填灌浆采用纯压式灌浆法，分为两个次序进行，自较低的一端开始，向较高的一端推进。回填灌浆浆液水灰比控制在0.5∶1，灌浆压力控制在0.4 MPa。

固结灌浆钻孔采用凿岩钻机进行造孔，灌浆孔钻孔结束后，应使用压缩空气冲净孔内的岩粉、泥渣。固结灌浆采用纯压式灌浆法，固结灌浆压力为：入基岩2.0 m范围内控制在0.5 MPa，2.0 m范围以后控制在0.8 MPa。

4.3 永久封堵体施工方案

永久封堵体长9.0 m，采用C20 W6 F100混凝土，分两期施工，一期施工长度3.0 m，二期施工长度6.0 m。在隧洞C25钢筋砼衬砌与封堵体C25砼之间布置接缝灌浆系统，分别在顶部、左右边墙中部布置一根灌浆管路。

接缝灌浆管采用φ1.5 PVC管，每隔2.8 m留设出浆盒，出浆盒采用三通管与进浆管链接，并按设计方位固定牢靠，灌浆前出浆口用牛皮纸绑扎封号。在封堵混凝土浇筑前采用砂浆沿围岩管壁四周进行封闭（防止管路堵塞）。接缝灌浆压力采用0.4 MPa。

封堵体浇筑前，应将接触面进行凿毛并清洗干净。封堵体混凝土浇筑分二层（仓）浇筑，封堵段净空高度为2.35 m，第一层浇筑高度为1.5 m，第二层浇筑完成顶拱处0.85 m范围混凝土。混凝土采用泵送入仓，使用振捣器捣实密实。

5 结语

导流洞封堵是水库蓄水的必要条件，应在综合考虑施工方案、生态流量、工程投资等因素的前提下，研究确定导流洞最适合的封堵方式。翁养水库为小（2）型，考虑到本工程规模较小、封堵时段洪水流量较小的特点，故采用了导流管引流+柱形混凝土封堵体的方式。导流洞封堵体分两期施工，既降低了导流封堵的施工难度，保证了封堵体永久稳定，又能满足施工期间生态流量下放的要求，从而达到了安全、经济、合理的目标。本工程导流洞封堵方案简单实用、经济合理，可为类似小型工程的导流洞封堵提供参考。