“龙抬头”型导流输水隧洞中导流洞封堵体设计方法探讨

汪海涛

（营口市水利勘测建筑设计院,辽宁 营口 115000）

0 引言

在水利工程建设中，因探明地质情况而开挖的地质探洞、辅助主洞施工用的施工支洞以及要被改建成与放空、发电、输水等用途隧洞结合的导流洞，都要采用封堵体进行封堵。尽管封堵体的工程量不大，但对水利工程的运行安全起着及其重要的作用，设计级别应与相应的水工建筑物相同。目前封堵体的设计思路日趋成熟，封堵体长度计算方法较多，但是各种方法得到的结果相差很大，给设计者在封堵体设计中造成一定困扰。本文在总结规范和前人工作成果的基础上，结合自身的实践经历，以某中型水库中“龙抬头”型导流输水隧洞在50 m水头作用下导流洞封堵体进行设计，将得到的成果与大家分享，以供大家在今后的封堵体设计中参考。

1 封堵体设计

进行封堵体设计时，首先应根据封堵体的布置原则、受力特性来选择封堵体的结构形式，然后进行封堵体长度计算。计算方法是封堵体设计中最为关键和核心的技术问题，因此封堵体设计主要主要从以下几个方面进行详细阐述。

1.1 设计原则

本文中导流输水隧洞布置形式为“龙抬头”型，导流洞在前期施工中用于施工导流，导流结束后应进行封堵，输水隧洞在工程完成后进行输水。封堵体的设计应根据水文地质条件、支护及衬砌方式、施工方法、相邻建筑物大坝，溢洪道布置情况等共同确定[1]。本文根据《水工隧洞设计规范》（水利版2016、电力版2004），结合“龙抬头”型导流输水隧洞导流洞的封堵问题，对封堵体的设计原则如下[2]：

（1）该工程导流输水隧洞为永久建筑物，封堵体也属于永久建筑物，建筑物级别应与大坝，溢洪道等枢纽建筑物级别相同。

（2）封堵体宜设置在工程地质较好的地段，应避开断层等不良地质洞段。

（3）封堵体设置在输水洞与导流洞相交的圆弧段，在龙抬头圆弧段，斜坡段应进行固结灌浆，布置形式见图1。

图1 龙抬头型封堵体布置形式

此外，封堵体设计应充分考虑施工条件、施工水平，并考虑施工工期等因素。

1.2 封堵体受力特性

封堵体承受的荷载可划分为有利荷载和不利荷载，其中自重、围岩压力、灌浆压力为有利荷载，水压力、外部渗水压力及地震区考虑的地震荷载为不利荷载，封堵体设计中可忽略有利荷载作用，对不利荷载影响应认真考虑以保证封堵体设计安全[2～3]。封堵体荷载情况见表1。

表1 封堵体荷载情况表

1.3 封堵体体型选择

封堵体的体型设计应根据水头、断面形状及施工等因素综合考虑后确定，目前封堵体形状主要有柱状，楔形及板壳形，其中柱状、楔形形状结构简单，施工方便、快速，施工工期短，在水工隧洞中使用较广泛，板壳形尽管在工程量较柱状、楔形省，同时结构承载能力较好，但施工程序复杂，工程质量难以保证[3]，如果施工不好，将起不到封堵作用，故一般不选择使用。本文经综合考虑后选择柱状封堵体结构形式，考虑到外水压力较大，应增加封堵体长度。

2 封堵体计算方法

堵封体计算方法归结为经验公式、结构计算以及数值计算3 种，本文在依据水工设计规范，总结前人工程经验等计算方法的基础上，剔除掉水工隧洞设计规范（SL 279-2002）中利用冲剪切理论计算封堵体长度的计算方法，新加入SL 279-2016 版中堵封体的计算方法，并在结构计算中考虑了材料性能分项系数、荷载分项系数及安全分项系数的影响。经分析比较，计算方法如下[4～6]：

（1）封堵体长度一般取封堵隧洞开挖洞径（或洞宽）的3倍以上，部分小型工程取2倍洞径，即L≥（2～3）D，式中L为封堵体长度，D为封堵洞洞径（或洞宽）。

（2）挪威经验公式：L≥（3～5）H/100，式中H为水头，L为堵封体长度。

（3）按经验公式：L=HD/50，式中H为水头，D为洞泾，当隧洞为非圆形时，换算直径D为（4A/π）（1/2）。

以上三种方法均为半经验或工程经验公式，在封堵体长度计算时未全面考虑封堵体的影响因素，在计算结果上相差大，其中方法（1）只考虑洞泾大小，未考虑水头的影响因素，设计中若水头较小而设计断面较大时，计算结果偏大，相反水头较大而设计断面较小时，封堵体长度计算偏小，因此计算时根据工程经验，水头较大时相应取大值以保证安全；方法（2）只考虑水头，未考虑断面影响因素，计算时若断面较小，前面系数应取较小值为合理；方法（3）尽管考虑了水头和断面因素，但工程经验表明，在高水头时，封堵体长度计算偏于安全。

（4）电力版《水工隧洞设计规范》（DL 5195-2004）中采用结构力学方法，封堵体长度由抗滑稳定公式计算，计算公式如下：

式中：γd为结构系数；γo为结构重要性系数，对于该导流隧洞取0.9；φ为设计状况系数；S(·)为作用效应函数，计算时考虑荷载分项系数；R(·)为结构抗力函数；∑PR为滑动面上封堵体承受的全部切向作用之和，kN；∑WR为滑动面上封堵体全部法向作用之和，kN；CR为混凝土与围岩的黏聚力，kPa；fR为混凝土与围岩的摩擦系数；AR为除顶拱部位（90°～120°）外,封堵体与围岩接触面的面积，m2。

（5）原水工隧洞设计规范水利版（SL 279-2002）堵封体长度计算公式根据规范修改不再使用，应根据现行水工隧洞设计规范（SL 279-2016）中封堵体的抗滑稳定公式计算：

式中各物理量代表的含义详见水工隧洞设计规范（SL 279-2016）。

3 工程实例

3.1 封堵体长度计算

以新建某工程为中型水库，导流输水隧洞采用“龙抬头型”布置，净断面采用宽×高为2.2 m×2.5 m圆拱直墙型断面，布置形式见图1，导流洞底板高程2097.6 m，输水隧洞底板高程2115.6 m，设计洪水位为2150.5 m，导流洞专用段长70 m，前期采用导流洞进行导流，导流结束后对导流洞进行封堵，将导流洞改建成输水洞进行输水。

根据地质情况及工程经验类比，堵封体位置处围岩类别为Ⅳ类，计算围岩混凝土间的摩擦系数f=0.6，粘聚力c=400 kPa，混凝土容重r=2400 kg/cm3，剃度安全系数K取8，各种方法计算得到的封堵体长度见表2。

表2 封堵体长度的计算成果

根据以上结果可知，5 种计算方法所得到的封堵体的长度结果相差较大，结果最大相差7.32 倍。本工程综合方法（4）、方法（5），最后采用现行《水工隧洞设计规范》（SL 297-2016）的计算方法，导流输水隧洞封堵体长度L取4 m。

3.2 结果分析

（1）方法（1）未考虑水头、其它荷载等因素的影响，以3 倍的开挖洞宽计算所得的结果偏大，一般不推荐使用。

（2）方法（2）未考虑断面大小、形状以及其它荷载等因素的影响，计算结果偏小，在高水头作用下，所得结果与其他方法计算结果相差大。

（3）方法（3）同时考虑了断面、水头因素，但在大断面、高水头作用下计算结果偏于保守，应考虑在低水头下计算封堵体长度较合理。

（4）方法（4）、（5）均采用结构力学计算方法，在计算原理上相同，不同点在于对某些系数处理方法上不同，结果相差不大，在水工隧洞封堵体长度计算上较为常用。

4 结论及建议

通过工程实例封堵体长度计算结果可以看出，各种计算方法在计算封堵体长度上相差很大，绝不能采用其中一种方法确定其长度，长度太长，会影响造价及施工工期，太短容易引起水利击穿或者封堵体滑动。在封堵体体型、受力等确定的前提下，采取几种方法组合计算封堵体长度，并结合工程经验最终确定封堵体长度，建议如下：

（1）封堵体的设计应结合隧洞断面、水头及施工工序等因素考虑，并参照规范、工程经验及施工环境选择封堵体体结构。

（2）在一般水利工程中，建议优先考虑《水工隧洞设计规范》（水利、电力版）中封堵体计算公式进行计算，再根据经验公式进行验算，前后计算结果相差较大时，以前者计算结果为准。

（3）在一些大、中型及高水头作用水利工程中，建议采用三维有限元建模分析计算[7]，所得成果更加合理、准确，同时，在大断面封堵体设计时对工程质量、投资要求较高时，考虑设计成壳体结构形式，并保证其施工质量。