摘要：文中結合了一些已建工程對導流洞堵頭的四個方面進行了闡述，供從事導流洞封堵工程設計與施工的人員參考。
　　關鍵詞：導流洞；堵頭
　　引言
　　近年來，隨著水電工程技術的快速發展，導流隧洞在任何一個工程中導流洞堵頭施工后,都會用永久性混凝土進行封堵,在運行過程中堵頭會同周圍巖石或混凝土連成整體,共同承擔由作用水頭產生的水壓力。導流洞堵頭的封堵作為工程中永久性建筑物,雖然堵頭的工程量相對較小,但作為水庫蓄水的主要控制條件之一,對工程的安全運行有著極其重要的作用,封堵工作是否能夠順利、及時地完成,對整個后期的工程進度有著極其重要的意義。
　　2堵頭長度確定
　　堵頭長度作為導流洞堵頭設計的核心,一般而言,堵頭承受的基本荷載有內水壓力、滲透壓力、自重、地震荷載以及周邊的圍巖壓力的等。雖然有限元法在工程界得到廣泛的使用,但導流隧洞封堵堵頭長度的確定,目前常用的方法主要為《水工隧洞設計規范》(SL279-2002)(簡稱水利版)、《水工隧洞設計規范》(DL/T5195-2004)(簡稱電力版)和經驗公式,簡要說明如下:
　　(1)水利版規范計算公式
　　L≥
　　式中:L為堵頭長度,m;P為堵頭迎水面承受的總水壓,MN;[τ]為容許剪應力,取0.2-0.3MPa;A為堵頭剪切面周長,m。該公式將封堵體視為靜水作用下的剛體,剪應力沿周邊均勻分布,P取堵頭迎水面的總水壓,A在規范中要求為剪切面周長,但在實際設計中,根據以往工程經驗,通常取底邊的全部加上兩側墻的一半。
　　(2)電力版規范計算公式
　　作用效用函數S(•)=∑PR和抗力函數R(•)=fR∑WR+CRAR式中:∑PR為滑動面上封堵體承受的全部切向作用之和,kN;∑WR為滑動面上封堵體全部法向作用之和,向下為正,kN;fR為混凝土與圍巖(或混凝土)的摩擦系數;CR為混凝土與圍巖(或混凝土)的黏聚力,kPa;AR為除頂部外,封堵體與混凝土接觸面的面積m2。
　　如果堵頭周邊原導流洞襯砌混凝土挖除,則fR采用混凝土與圍巖的摩擦系數,CR采用混凝土與圍巖的黏聚力;如果堵頭周邊原導流洞襯砌混凝土不挖除,則fR采用混凝土與混凝土的摩擦系數,CR采用混凝土與混凝土的黏聚力。
　　(3)經驗公式
　　L=HD/50
　　式中:D為混凝土堵頭直徑,混凝土堵頭直徑,堵頭為非圓時,取縱向或水平向較大值;H為作用水頭(m)。
　　就水利版和電力版的區別來看,水利版沒有考慮混凝土與圍巖的相互作用,而籠統的將[τ]取為0.2-0.3MPa,因而結果不如電力版的合理;然而電力版公式由于考慮圍巖和混凝土之間相互作用較大,從而使得抗力較大,所求得封堵體的長度較小;綜合以往設計經驗,經驗公式在高水頭時結果一般偏于保守。
　　3封堵體主要體型及其選擇
　　導流洞封堵堵頭的型式有瓶塞形、截錐形、短釘形和拱形,見圖1-圖4。
　　                      
　　                                                               圖1瓶塞形導流洞封堵堵頭

                                           
　　                                                                
　　                                                                      圖2截錐形導流洞封堵堵頭

                                                
　　
　　                                                                             圖3短釘形導流洞封堵堵頭

                                                    
　　
　　                                                                                  圖4拱形導流洞封堵堵頭
　　瓶塞形堵頭采用單段、單齒結構,即上游斷面大,下游斷面小,在上游水推力作用下,混凝土堵頭對圍巖形成擠壓;同時,混凝土堵頭伴隨軸向壓縮變形,徑向將產生膨脹效應,對圍巖形成擠壓,受到由于變形壓力產生的附加彈性抗力的作用,并由此在混凝土與圍巖接觸面上產生摩擦阻力。由于瓶塞形堵頭施工簡單,受力狀況較好,所以導流洞堵頭較多采用此種體型。
　　截錐形堵頭一般在堵頭邊墻和底板設置鍵槽,導流洞開挖過程中將鍵槽一并開挖完成,然后按導流洞結構進行混凝土襯砌,在導流洞下閘以后,原則上需將鍵槽段導流洞結構襯砌混凝土鑿除后才進行堵頭混凝土澆筑,但在實際施工過程中,往往因為鑿除困難和工期較緊等原因,沒有將該段混凝土鑿除,僅將該段混凝土面鑿毛,并在邊墻和底板布設錨筋,保證新老混凝土之間、堵頭和圍巖之間結合緊密。可見,截錐形與瓶塞形一樣,堵頭能將壓力較均勻地傳至洞壁,受力情況好,也被廣泛采用。
　　短釘形開挖較易控制,但釘頭部分應力較集中,受力不均勻,不常采用;拱形堵頭混凝土量少,但對巖石承壓及防滲要求較高,可用于巖體堅固、防滲性較好的地層。
　　4灌漿
　　堵頭灌漿主要進行固結灌漿、回填灌漿、接觸灌漿和接縫灌漿。一般情況下,堵頭需設置灌漿廊道,回填灌漿、接觸灌漿和接縫灌漿均在廊道內進行。
　　4.1固結灌漿
　　固結灌漿是對堵頭外部圍巖的加固處理。堵頭段圍巖在導流洞施工時一般已進行過固結灌漿,考慮到堵頭的重要性、受力特點及壩體帷幕灌漿,一般在堵頭施工時還需對圍巖進行補強灌漿處理,固結灌漿一般為壓力1.5MPa。
　　4.2回填灌漿
　　堵頭混凝土在澆筑完成后,由于重力作用和混凝土的干縮,堵頭混凝土與洞壁巖石或堵頭混凝土與導流洞襯砌混凝土之間會形成一個空腔,所以堵頭必須進行回填灌漿。回填灌漿在堵頭混凝土達到設計強度的70%后進行,灌漿管預埋在堵頭混凝土中,分為進漿管和回漿管,灌漿管通常采用硬塑料管,一般情況下,灌漿范圍為拱頂120°,并在頂部設排氣槽,灌漿壓力一般為0.3-0.4MPa。
　　4.3接觸灌漿
　　在堵頭混凝土達到穩定溫度以后,由于重力作用和混凝土的干縮,堵頭混凝土與洞壁巖石或堵頭混凝土與導流洞襯砌混凝土之間會有縫隙,所以堵頭往往還要進行接觸灌漿。接觸灌漿管預埋在堵頭混凝土中,分為進漿管、回漿管和灌漿支管,灌漿管通常采用硬塑料管,一般情況下,灌漿范圍為拱頂及側墻,在灌漿支管出口一般需設置灌漿盒,灌漿壓力一般為0.3-0.5MPa。
　　4.4接縫灌漿
　　接縫灌漿是對堵頭分段澆筑處的灌漿,如果堵頭不設橫縫,則不需進行接縫灌漿。接縫灌漿壓力一般為0.3-0.5MPa,接縫灌漿在混凝土堵頭全部澆筑完成,并且混凝土溫度降到穩定溫度后進行。
　　5溫控
　　通常情況下,堵頭混凝土體積較大,所以在澆筑過程中采取相應的溫度控制措施是非常必要的。在堵頭的設計過程中,溫度計算的目的主要有兩個:1、堵頭是否需要進行初期通水冷卻;2、在堵頭最后一倉混凝土澆筑完成后需要多長時間才能達到穩定溫度,即需要通水多長時間才能開始接觸灌漿和接縫灌漿,這兩項計算的要點分述如下:
　　5.1是否需要進行初期通水冷卻的計算在此項計算過程中,首先要明確的是堵頭混凝土設計允許的最高溫度,對于基礎約束區(或老混凝土約束區)的混凝土,設計允許最高溫度可取基礎允許溫差(查《重力壩設計規范》確定)加上堵頭穩定溫度或準穩定溫度與壩體最高溫度控制標準比較后取其低值,對于均勻上升脫離基礎約束區的混凝土,僅按堵頭混凝土最高溫度控制標準確定。若堵頭混凝土設計允許最高溫度為Tmax,混凝土澆筑塊平均溫度Tm,如Tm<Tmax,則不需要進行初期通水冷卻,如Tm>Tmax,則需要進行初期通水冷卻,Tm可采用如下公式計算:
　　Tm=(TP-Ts)E2/(1-E1)+Tr/(1-E1)+Ts
　　式中:Tm為混凝土澆筑塊平均溫度(℃);Tp為混凝土澆筑溫度(℃);Tr為混凝土水化熱溫升,采用時差法計算(℃);E1-新澆混凝土接受老混凝土固定熱源作用并向頂面散熱的殘留比;E2為新澆混凝土固定熱源向空氣和老混凝土傳熱的殘留比;Ts為混凝土表面溫度(℃)。
　　5.2達到穩定溫度所需要時間的計算在此項計算中,首先要確定的的是通水開始時的混凝土溫度Te。如果無初期通水冷卻,則Te=Tm;如果有初期通水冷卻,則Te采用通水冷卻后的溫度Tm′,Tm′可采用以下公式計算:
　　Tm′=(Tp-Ts)E2X/(1-E1X)+(Tw-Ts)E2(1-X)/(1-E1X)+Tr/(1-E1X)+Ts
　　式中Tw為冷卻水管進水口處水溫;X為水管散熱殘留比,為aτ/D2與λL/(Cwρwqw)的函數,由《水電工程施工手冊(混凝土工程)》查得,a′為等效導溫系數,D為冷卻等效圓直徑,Cw為水的比熱,ρw為水的密度,qw為水管通水流量。
　　而在現場施工過程中,往往是在最后一倉混凝土澆筑完成三天以后才能開始通水冷卻,即Te應大于Tm和Tm′,達到穩定溫度所需要的時間采用以下公式計算:
　　Tm=Tw+X(T0-Tw)
　　式中:Tm為砼平均溫度,℃;Tw為冷卻水管進口處水溫,℃;T0為砼初溫,℃。上式可演變為:X=(Tm-Tw)/(T0-Tw),由λL/(Cwρwqw)及X的數值,可從《水電工程施工手冊(混凝土工程卷)》查得a′τ/D2的相應數值,由此計算出τ即為達到穩定溫度所需要的時間。
　　導流洞封堵堵頭一般在河流枯水期開始施工,汛前結束,所以時間較為緊張,如果通水冷卻時間較長,即達到穩定溫度時間較長,則會延誤接觸灌漿和接縫灌漿的時間,所以一般情況下要求采用低熱微膨脹水泥,并嚴格控制混凝土中水泥的摻量。
　　6結束語
　　導流洞封堵堵頭作為關鍵的水工建筑物,事關工程安全運行及效益發揮,因此無論是設計還是施工,均應高度重視、認真對待。堵頭承受的基本荷載有內水壓力、滲透壓力、自重、地震荷載以及周邊的圍巖壓力的等。堵頭長度是堵頭設計的核心問題,與水利版規范相比電力版計算公式考慮圍巖和混凝土之間相互作用較大,從而使得抗力較大,所求得封堵體的長度較小;采用經驗公式計算,在高水頭時結果一般偏于保守。
　　根據具體的工程特點,封堵堵頭的型式可采用瓶塞形、截錐形、短釘形和拱形等;封堵混凝土應采用低熱微膨脹水泥,嚴格控制水泥摻量。
　　
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