南欧江七级水电站导流洞封堵体设计及稳定性分析

曹登荣　孙文召　李剑萍

摘要：为确保导流洞永久封堵体的施工安全、降低施工风险，南欧江七级水电站采用临时堵头+永久堵头的方式。对永久封堵体的抗滑稳定进行计算，按照承载力极限状态分别从衬砌混凝土与堵头混凝土接触面、衬砌混凝土与围岩接触面两个方面，对3种工况下的荷载情况综合考虑。结合有限元对封堵体的应力应变分析成果，在封堵体迎水面布置钢筋网，并对导流洞永久封堵体全断面增设锚杆。结果表明：永久封堵体的长度取38 m，完工后已安全度过数个汛期，监测数据显示封堵体结构处于稳定状态。

关键词：导流洞； 临时堵头； 永久堵头； 抗滑稳定； 有限元； 南欧江七级水电站

中图法分类号：TV554

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.007

文章编号：1006-0081（2023）12-0042-06

0引言

导流洞永久堵头属永久建筑物，其设计标准与大坝设计标准相同［1］。堵头的设计、施工进度以及施工质量直接影响水电站发电效益和电站运行期的安全［2］。导流洞能否顺利安全地完成下闸封堵，直接关系到蓄水发电目标能否实现［3］。此外，由于永久堵頭施工工艺复杂，施工工期较长，很难保证在汛前完成施工［4］。因此，目前常用的方法是对堵头采用分层分段施工。近年来，在糯扎渡、大古、万家口子等水电站导流洞封堵施工时采用了临时堵头的方法［5-7］，为解决此问题提供了一个新的思路。

本文在总结了国内外导流洞封堵体设计方案和计算方法的基础上，采用较为少见的临时堵头+永久封堵体的设计方案。与传统堵头施工相比，一般情况下临时堵头仅需要进行回填灌浆，不需要进行帷幕灌浆和固结灌浆，可采用连续浇筑的方式在下闸后迅速施工，从而为永久堵头的安全施工创造干地条件，提升永久堵头的施工质量，降低安全风险。此外，临时堵头的设置还可为水库蓄水抢占工期，从整体上提升工程的经济性。本文以南欧江七级水电站为例，介绍了导流洞封堵方案的设计思路、计算方法和细部设计。

1工程概况

南欧江七级水电站位于老挝丰沙里省境内，为Ⅰ等大（1）型工程，水库校核洪水位636.76 m，设计洪水位和正常蓄水位均为635.00 m。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、左岸引水发电系统、右岸泄洪放空洞等组成。工程采用围堰一次断流，基坑全年施工的隧洞导流方式。导流建筑物等级为4级，导流设计标准为20 a一遇洪水，相应设计流量为2 290 m³/s，调洪后流量为1 434 m3/s。工程共布置1条导流洞，位于右岸，进口底板高程511 m，出口底板高程509 m。进口明渠长约50 m，末端设进水塔，进水塔尺寸为18 m×16 m（长×宽），塔顶平台高程为543.00 m，高约32 m，进水塔内设置1孔1扇封堵闸门及其启闭机。导流洞洞身长865.000 m（包括明洞段），坡度i=0.237%。出口明渠长123.125 m，左侧为重力式挡墙，右侧为贴坡式混凝土。

2封堵体方式和堵头设置

导流洞封堵体关系到整个工程的运行安全，结构设计主要有结构稳定性与防渗方面的要求。根据南欧江七级水电站的下闸蓄水规划，导流洞封堵工期较为紧张，高水位情况下闸门可能漏水甚至出现部分损伤，进而影响洞内人员安全，并可能造成下闸蓄水失败的情况［8］。南欧江七级水电站导流洞采用临时堵头+永久封堵体的方式。导流洞下闸后20 d内完成导流洞临时堵头施工，为永久封堵体施工和水库蓄水创造条件。结合大坝帷幕线的布置，导流洞临时堵头位于桩号D0+315 m～D0+330 m，导流洞永久封堵体布置于大坝帷幕灌浆线，位于隧洞中部的Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ类围岩段，其桩号为D0+330 m～D0+368 m，最大开挖断面宽10.0 m，高14.3 m。

3导流洞封堵体抗滑稳定计算

目前，堵头结构一般根据其所承担的水头进行设计，并采用工程经验类比法或参考极限抗滑、抗冲切公式校核，设计结果往往过于简单和保守［9］。与传统计算方法不同，本文进行堵头稳定计算时，按照承载力极限状态，分别从衬砌混凝土与堵头混凝土接触面、衬砌混凝土与围岩接触面两个方面，对3种工况下的荷载情况进行堵头长度计算，并采用有限元法进行封堵体应变分析，对封堵体的迎水面、四周等应力应变较为集中的区域进行细化设计，确保设计方案的安全可靠。

3.1基本假定

为了开展封堵体抗滑稳定性计算，基本假定如下：① 堵头挡水后，水压力经堵头传递到堵头与围岩或堵头与原衬砌混凝土的接触面上；② 堵头与原衬砌混凝土及围岩均假定为线弹性连续体；③ 经过凿毛后，堵头与原混凝土之间的接触面是连续的；④ 原混凝土与围岩之间的接触面是连续的；⑤ 围岩及堵头内渗透水压力忽略不计；⑥ 剪应力沿接触面均匀分布；⑦ 实际存在的地应力、围岩高低不平及堵头前段的楔形体布置等作为安全储备，不参与计算。

3.2临时堵头抗滑稳定计算

临时堵头长度按两种工况计算：① 大坝死水位590 m（永久堵头施工期间计划蓄至死水位）；② 施工期间坝体挡水枯期时段（12月到次年5月）设计标准P=0.5%坝前水位584.90 m，550 m水位（泄洪放空洞底板高程）起调。以上两种工况均分别按衬砌混凝土与堵头混凝土接触和衬砌混凝土与围岩接触计算堵头长度计算，荷载组合为水推力+堵头自重+扬压力，结果见表1。经分析计算，导流洞临时堵头长度取15 m，临时堵头结构见图1。

3.3永久封堵体抗滑稳定计算

永久堵头的抗滑稳定计算主要对封堵体的校核水位、设计洪水位工况和正常蓄水位遭遇地震工况进行。导流洞永久封堵体是永久建筑物，其设计级别与大坝的设计级别一致，均为1级建筑物。临时堵头的设置主要为永久封堵体的施工和水库蓄水创造条件。为了快速施工，未对临时堵头进行固结灌浆和帷幕灌浆，其耐久性和抗渗性能无法满足永久建筑物的需求，且其与永久堵头接触面未进行接缝灌浆以形成整体，故该工程永久封堵体抗滑稳定计算时未考虑临时堵头的挡水作用。

表2列出了永久封堵体计算工况及主要荷载组合。

抗滑稳定分析主要考虑两部分：① 封堵体混凝土与围岩之间的抗滑稳定性；② 封堵体混凝土与衬砌之间的抗滑稳定性。按照NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》有关规定进行封堵体的抗震计算。主要考虑地震惯性力和地震动水压力。主要计算参数取值见表3。

4永久封堵体有限元计算

根据已建工程封堵体的应力监测成果分析，封堵体受力时出现剪力不均和应力集中情况。对南欧江七级水电站工程的高水头及大断面封堵体，宜采用有限元法进行封堵体的应力应变分析，为封堵体具体体型设计提供必要的科学依据。

4.1基本假定

为了开展封堵体应力应变分析，基本假定如下：① 假定混凝土、围岩均为各向同性均质线弹性体；② 混凝土与围岩为接触良好的线弹性体；③ 围岩及封堵体内渗透水压力忽略不计；④ 初始地应力对封堵体结构的影响忽略不计。

4.2计算模型

有限元计算时，永久封堵体周边岩体范围取3倍洞径，以满足计算精度要求。基础部分底部为三向约束，侧面施加相应法向链杆约束。计算中考虑的主要荷载为自重、外水压力。

假定顺水流方向为z向，竖向为y向，垂直zy向为x向，计算模型如图3所示。

本次计算采用有限元程序，采用牛顿-拉普森平衡迭代法将荷载分成一系列荷载增量，在几个荷载步内或者在一个荷载的几个子步内施加荷载增量。在每次求解前，由牛顿-拉普森法估算出残差矢量，该矢量是回复力（对应于单元应力的荷载）和所加载的差值，然后使用非平衡荷载进行线性求解，且核查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算非平衡荷载，修改刚度矩阵，获得新解，使在每一个载荷增量的末端解达到平衡收敛。

4.3计算结果

永久封堵体有限元计算选取正常蓄水位/设计洪水位工况、校核洪水位工况，对封堵长度进行计算分析。主要计算成果见表5。

永久封堵体的有限元计算成果表明：

（1） 导流洞永久封堵体混凝土在局部出现了较大的拉应力，最大拉应力区域出现在迎水面周边，最大主拉应力值为1.87 MPa，局部区域超过混凝土的抗拉强度设计值，封堵体其他部位拉应力值均小于混凝土的抗拉强度设计值。最大压应力区域出现在封堵体迎水面中下部位，最大主压应力值为 2.68 MPa。最大剪应力区域出现在封堵体的迎水面两侧拱脚，最大剪应力值为2.63 MPa。可通过在封堵体迎水面布置钢筋网解决局部拉应力较大的问题。

（2） 在导流洞封堵体混凝土与围岩接触面上，封堵体的绝大部分拉应力值低于混凝土的抗拉强度设计值，最大拉应力区域出现在迎水面周边，最大主拉应力值为1.87 MPa。最大压应力区域出现在封堵体迎水面底部附近，最大主压应力值为2.68 MPa。最大剪应力区域出现在封堵体的迎水面左右两侧，最大剪应力值为2.63 MPa，但只是出现在局部表层，绝大部分接触面的剪应力值较小，基本满足混凝土与围岩间抗剪断强度要求。可通过在围岩与封堵体之间设置锚杆，增加接触面抗拉强度。

（3） 沿洞轴线顺水流方向导流洞封堵体应力值呈递减趋势，且递减趋势明显。

出现上述计算成果的原因：在水压力作用下，堵头混凝土产生压缩变形，轴向压缩变形产生泊松效应，继而沿洞室径向产生膨胀，堵头周边区域由于变形产生附加弹性抗力并产生较大剪切变形，导致迎水面周边局部区域最大主拉应力和剪应力偏大。导流洞封堵体整体稳定。采取上述措施后，有效避免了封堵体周边拉应力和剪应力偏大的情况。

2021年2月1日南欧江七级水电站导流洞下闸，水库开始蓄水。安全监测成果显示，导流洞永久封堵体处于稳定状态，封堵体结构安全。

5结语

为确保导流洞永久封堵体的施工安全、降低施工风险，南欧江七级水电站采用临时堵头+永久堵头的方式。设计过程中，按照承载力极限状态，分别从衬砌混凝土与堵头混凝土接触面、衬砌混凝土与围岩接触面两个方面，对3种工况下的荷载情况进行了堵头长度计算。结合有限元计算的封堵体应力应变成果，在封堵体迎水面布置钢筋网，并对导流

洞永久封堵体全断面增设锚杆，对封堵体的迎水面、四周等应力应变较为集中的区域进行了细化设计，确保设计方案的安全可靠。该工程的永久封堵体设计方案和计算思路可为类似水电站的永久封堵体的结构稳定设计提供参考。

参考文献：

［1］鄢双红，李勤军，张新启，等.渫水皂市水利枢纽施工导流设计［J］.水利水电快报，2005，26（23）：13-15.

［2］史晓阳，蒋书伟.云南省某水电站导流隧洞封堵技术［J］.云南水力发电，2019，36（5）：66-68.

［3］董志宏，丁秀丽，叶三元，等.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，2011，42（增1）：9-11.

［4］韩燕华.导流洞堵头结构稳定性分析及优化设计［J］.湖北工程學院学报，2020，40（6）：124-127.

［5］马高.云南万家口子水电站导流隧洞封堵设计［J］.红水河，2020，39（3）：97-100.

［6］熊涛.DG水电站大断面导流隧洞汛期快速封堵施工技术［C］∥中国大坝学会.中国大坝工程学会2023学术年会论文集.贵阳：中国大坝学会，2023：615-621.

［7］张耀威，张礼宁，秦崇喜.糯扎渡水电站导流洞临时堵头混凝土快速连续施工技术［J］.水利水电技术，2014，45（3）：58-60.

［8］白石，孙浩然.导流洞临时堵头混凝土快速连续施工技术研究［J］.水利水电快报，2021，42（增1）：9-11.

［9］简崇林，漆祖芳，王英.大型导流隧洞群下闸封堵风险分析及对策——以乌东德水电站为例［J］.人民长江，2021，52（8）：158-165.

（編辑：李慧）

Design and stability analysis of diversion tunnel plug of Nam Ou Ⅶ Hydropower Project

CAO Dengrong ，SUN Wenzhao，LI Jianping

（POWERCHINA Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650000，China）

Abstract：In order to ensure the construction safety of the permanent plug of the diversion tunnel and reduce construction risks，the method of temporary plug and permanent plug was adopted for the Nam Ou Ⅶ Hydropower Station.The anti-sliding stability of the permanent plug was calculated，and the load conditions of the contact surface between the lining concrete and the plug concrete，as well as the contact surface between the lining concrete and the surrounding rock，under three working conditions，were comprehensively considered according to the bearing capacity limit state.Based on the stress and strain analysis results of the permanent plug by finite element method，the reinforcement mesh was arranged at the upstream surface of the plug，and the anchor bolts were added to the full section of the permanent plug of the diversion tunnel.The results indicated that the length of the permanent plug should be 38 m.Several flood seasons had been safely passed after the completion of the plug.The monitoring data showed that the permanent plug structure was in a stable state.

Key words：diversion tunnel； temporary plug； permanent plug； anti-sliding stability； finite element method； Nam Ou Ⅶ Hydropower Project