【摘要】導流隧洞堵頭施工工序復雜，工期控制亦相當嚴格。本文導流隧洞堵頭承受水壓力大，堵頭斷面設計為截錐形，堵頭長度僅為洞徑的1.96倍。堵頭段的施工從原斷面的擴挖、錨筋的施工、觀測儀器的安裝、混凝土的澆筑、回填灌漿至擋水運行僅34天。在施工過程中為確保高溫條件下混凝土順利泵送和澆筑質量采取了一系統的措施，并以理論計算和實測數據驗證了這些措施的有效性。該研究對水工隧洞堵頭的設計和施工具有參考價值，為類似工程提供了寶貴經驗。
　　【關鍵詞】導流隧洞，堵頭設計，施工措施，溫度控制
　　1概述
　　該水電站為引水式開發，主要建筑物有碾壓混凝土拱壩，右岸1#、2#泄洪洞、引水發電系統和地面廠房組成。導流隧洞長380m，城門洞型，斷面為6×5.25m(高×寬)。堵頭承受水壓力達87.5m水頭。導流隧洞封堵是該水電站蓄水的最后一項工程，導流隧洞封堵后，該水電站即可運行發電。
　　2堵頭設計
　　2.1堵頭設計的原則與假定
　　由于堵頭設計在水工建筑物設計規范中沒有相應條款可循，一般根據工程的具體情況，擬定出堵頭的設計原則，并作出相應的假定進行計算。多數設計者采用的原則和假定如下[1]：
　　(1)堵頭屬永久建筑物，設計和校核標準與相應的水工建筑物相似；
　　(2)堵頭應安全可靠，穩定性和防滲性好，堵頭應與大壩的防滲帷幕形成整體；
　　(3)水壓力（必要時計入浮托力）是作用于堵頭的唯一外荷載；
　　(4)堵頭是水頭荷載沿周界產生靜剪力的剛性體，剪應力沿周邊均勻分布；
　　(5)堵頭混凝土的抗壓強度是安全的，只作抗滑穩定計算；
　　(6)實際存在的地應力、圍巖高低不平形成的嵌槽抗剪力等作為額外安全儲備，不參與計算[2]。
　　通過對已運行堵頭的觀測和分析，這些假定基本上滿足了堵頭的使用要求。近年來，采用有限元對一部分大型工程堵頭和周圍一定范圍內的巖體進行分析計算，也證明了按上述原則和假定設計的堵頭是完全能夠長期安全運行的。
　　2.2堵頭穩定計算
　　導流隧洞堵頭穩定計算：水庫在正常蓄水位和校核洪水位情況下，導流隧洞堵頭及堵頭區圍巖安全穩定，根據《水利水電工程施工組織設計手冊》：
　　(1)抗剪斷強度公式：
　　
　　式中：P─設計水頭的總推力，以87.5m水頭計算
　　K─安全系數，規范規定設計工況K=2.5，校核工況K=3
　　L、A、S─堵頭長度、斷面面積和斷面周長
　　r─混凝土容重，取r=2.5t/m3
　　─抗剪斷面積有效系數，取0.7～0.75
　　f─混凝土與巖石接觸面的摩擦系數
　　C─混凝土與巖石接觸面的抗剪斷凝聚力
　　(2)各種荷載作用的分項系數公式：
　　
　　式中：K1─摩擦力的分項系數，取1.3
　　K2─凝聚力的分項系數，取3
　　K3─水平推力荷載分項系數，取1
　　K4─混凝土自重分項系數，取0.9
　　(3)計算結果
　　根據《混凝土重力壩設計規范》(SL319-2005)附錄D，II類圍巖混凝土與巖石接觸面抗剪強度指標（f=0.75~0.65，C=1.10~1.30Mpa）。并參照已建工程經驗及本工程巖體抗剪斷強度指標，取f=0.7，C=1.15Mpa。計算出堵頭長度L=15m。堵頭位于導流隧洞0+150~0+165m段，該位置巖性好，為II類圍巖。
　　2.3結構設計
　　導流隧洞堵頭為永久工程，屬三級建筑物，設計洪水標準為50年重現期洪水，校核洪水標準為500年重現期洪水。由于本工程堵頭擋水位水頭較高，堵頭所受荷載大，因此堵頭型式采用截錐形以增加堵頭抗滑穩定性，擴挖后堵頭最大斷面尺寸B×H=7m×7.65m。底板及邊墻布置錨筋(Φ20，L=2.6m，梅花型布置，間排距1.5m)，為解決施工期堵頭上游封堵閘門的滲漏排泄問題，在堵頭底部布置2根Φ150排水管(待堵頭回填灌漿后進行封堵)。導流隧洞設計結構見圖1所示。
　　
　　                        
　　　　
　　                                                           圖1導流隧洞堵頭結構圖（單位：m）
　　2.4設計主要工程量
　　導流隧洞堵頭設計工程量見表1。
　　表1導流隧洞堵頭設計工程量表

                     
　　3施工技術措施
　　3.1施工準備
　　導流隧洞進水口下閘后，在封堵段上游用砂袋做一臨時小圍堰擋滲漏水，并用2根Φ150排水管將滲水引至堵頭下游，作為堵頭施工期臨時性排水設施。以防止在進行導流隧洞封堵段擴挖和澆筑混凝土過程中水流的干擾。待排水系統形成后，進行封堵位置的擴挖、錨筋等施工工作。
　　3.1.1封堵段的擴挖
　　封堵混凝土位于導流隧洞0+150～0+165段，該段巖性為花崗巖，為II類圍巖。擴挖采用手風鉆鉆孔。爆破工程多以建筑物所在位置的最大質點振動速度作為判別爆破振動對建筑物的破壞標準。為控制爆破沖擊波對圍巖的影響，采用的經驗公式[3]：
　　V=K（Q1/3/R）a
　　式中：V─爆破地震對建筑物及地基產生的質點垂直振動速度（cm/s）
　　K─與巖土性質、地形和爆破條件有關的系數，取150
　　a─爆破地震隨距離衰減系數，取1.5
　　Q─炸藥量，延期爆破時最大單響藥量（kg）
　　R─從爆破地點藥量分布的幾何中心至被保護對象的水平距離（m）
　　R─爆破中心點離觀測點距離
　　根據破壞標準，V≤5cm/s時，可充分保證圍巖的安全。計算出最大單響爆破藥量：Qmax=71.1kg，在此藥量下的爆破將安全可靠。本工程爆破網絡采用孔間微差順序爆破方式。藥卷為Φ32mm，2#巖石乳化炸藥，單支藥卷長度20cm，單支藥卷重量200g。鉆孔內裝入ms10段非電雷管，孔間用ms2段非電雷管聯接，排間用ms5段非電雷管聯接。控制的爆破最大單響藥量不超過25kg，完全滿足安全要求，從而保證了爆破對圍巖的破壞影響，工程實際爆破效果很好。
　　3.1.2封堵段的錨筋
　　設計采用的錨筋規格為Φ20，單根長為2.6m，其中伸入基巖2.0m，外露0.6m。錨筋孔用手風鉆鉆孔。錨筋孔鉆孔前先由測量人員根據審定的設計圖紙進行實地放樣、安裝樣架，然后按要求施鉆。鉆孔過程中重點是對孔深、孔斜等項目的控制。施工工藝圖如下圖2所示。
　　                   
　                                                                              　圖2錨筋施工工藝流程圖
　　3.2混凝土澆筑
　　澆筑前先將封堵段底板上的泥土等雜物清除，將封堵段邊頂拱的油、粉塵等清洗干凈。堵頭上、游模板用組合鋼模板，頂拱部位用木板補縫，模板密封情況好。澆筑混凝土前先鋪一層2cm厚的水泥砂漿。以保證基巖面和混凝土之間的凝結力。
　　為加快施工進行，混凝土一次全斷面澆筑完成。鑒于洞內施工的特殊性，混凝土澆筑采用混凝土泵運至倉面。混凝土泵設在導流隧洞出口位置，混凝土經拌合樓生產后，由自卸汽車運至導流隧洞出口位置，由裝載機轉料至混凝土泵，再由混凝土泵送至封堵位置，總運距2.8km，其中泵送距離為220m。倉面作業時搭設工作平臺，人工用高頻振搗棒進行振搗。
　　3.3混凝土澆筑中的溫控措施
　　為實現早日發電，導流隧洞封堵混凝土一次澆筑完成，混凝土方量大，澆筑期間為夏季。在高溫下，導流隧洞封堵混凝土有效進行溫控是保證封堵部位不滲水的關鍵。大體積混凝土由外荷載引起的裂縫的可能性很小，而混凝土硬化期間水化過程釋放的水化熱，澆筑溫度所產生的溫度變化和混凝土收縮的共同作用，由此產生的溫度應力和收縮應力，是導致結構出現裂縫的主要因素。混凝土的最高溫升值主要由澆筑溫度和水泥水化熱兩部分組成。因此，減少水泥用量、降低混凝土出機溫度和控制混凝土的澆筑溫度是限制混凝土內部最高溫升和混凝土內外溫差的關鍵。為達到既能控制溫度裂縫，又能在高溫情況下順利泵送混凝土，主要采用了如下方式。
　　3.3.1限制水泥用量，降低混凝土內部水化熱
　　(1)選用水化熱低的水泥
　　采用發熱量低的水泥和減少單位水泥用量，是降低混凝土水化熱溫升的最有效措施。根據試驗表明，不同品種水泥單位發熱量相差10cal/g。本部位使用水化熱較低的42.5型水泥，其早期的水化熱比同齡期的普通硅酸鹽水泥低，3d的水化熱約低20%。
　　(2)摻加磨細粉煤灰
　　堵頭混凝土摻入了成都華能電廠的磨細Ⅱ級粉煤灰，根據實驗資料表明，這樣不僅改善混凝土的粘聚性和可泵性，而且可節約水泥。每方混凝土中的水泥用量，每減少10kg，其水化熱將混凝土的溫度相應降低落1~1.2℃。
　　(3)選用優質外加劑
　　堵頭混凝土摻入了山西凱迪建材有限公司生產的UEA微膨脹劑。該微膨脹劑在空氣中膨脹率28d達0.0017%，在水中膨脹率28d達0.079%。從而能有效的抵消水化熱溫升引起的混凝土收縮變形。
　　3.3.2原材料降溫，控制混凝土出機溫度
　　出機溫度指混凝土組成材料經攪拌出機后測得的混凝土拌合物溫度。為降低混凝土的出機溫度，關鍵是對原材料采取了如下的降溫措施：
　　(1)在砂石料倉安設水管，在中午高溫期間噴霧保濕。
　　(2)控制混凝土中水的溫度，混凝土中水的用量雖然較少，但它的比熱較大，故需降低水的初始溫度。該部位拌合用水溫控制在12℃以下。
　　3.3.3加強混凝土保濕保溫養護
　　堵頭混凝土澆筑完并達到拆模強度后，并不立即拆除下游面模板，這樣可以減少混凝土中心與表面的溫差，防止產生溫差裂縫。當實測混凝土中心溫度下降后，拆除下游面模板，并進行表面灑水養護，防止產生表面裂縫。
　　3.3.4對混凝土溫度進行內部監控，及時掌握混凝土溫度變化動態
　　該導流隧洞封堵混凝土內共埋有四支溫度計，基巖內埋有兩支混凝土。對混凝土進行溫度觀測的目的是為了掌撐混凝土內部實際最高溫升和混凝土中心至表面的溫度梯度，并確定最佳接縫灌漿時間。根據觀測結果，導流隧洞封堵混凝土內部溫度變化見圖3所示。其最高溫度出現在澆筑混凝土后的第七天，達到了61.4℃。
　　                   
　                                               　圖3混凝土內部溫度~時間關系圖
　　3.4回填灌漿
　　堵頭混凝土在頂層施工條件面狹小，施工人員無法進入，很難將頂部澆滿。為此在頂拱預埋回填灌漿管。回填灌漿管路采用鍍鋅鋼管，灌漿壓力控制在0.3~0.5Mpa范圍內。回填和固結灌漿采用P•O42.5水泥，水泥各類性能指標應達到國家規定標準。回填灌漿按分序加密的原則進行，分為兩個次序施工，各次序灌漿的間隔時間不得小于48小時。回填灌漿采用純壓式灌漿法，漿液水灰比位為1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1（重量比）4個比級，在設計壓力下，灌漿孔停止吸漿，即結束回填灌漿。
　　3.5排水管封堵
　　當回填灌漿滿足強度要求后，即進行2根Φ150排水管的灌漿封堵。為便于在灌漿過程中漿液不通過排水管進行上游，在安設排水管時，在排水管進口設有逆止閥，當灌漿壓力達到一定值時，逆止閥即可逆向關閉，從而阻止漿液通過排水管進入上游。
　　3.6接縫灌漿
　　接縫灌漿是為了充填堵頭混凝土后期冷卻收縮與基巖面之間的縫面。接縫灌漿需待混凝土的溫度與基巖溫度相同，并待接縫寬度大于0.5mm以上（混凝土摻入了膨脹劑，在一定程度上可以補償一部分收縮裂縫）才進行。根據觀測結果，在蓄水前不具體灌漿條件，實際接縫灌漿是在蓄水達六個月后才進行的。
　　4結束語
　　(1)該導流隧洞堵頭施工，從2007年5月10日開始進行洞身斷面的擴挖至6月12日開始擋水發電，根據近兩年多時間的監測資料分析成果和運行結果看，尚未出現裂縫，堵頭四周無一點漏水現象，堵頭下游面混凝土表面也無一點滲水現象，堵頭運行正常。該導流隧洞封堵混凝土在工期要求十分嚴格下獲得了成功。這一成功經驗為今后的水電工程隧洞堵頭設計和施工起到很好的借鑒作用。
　　(2)從觀測結果看，混凝土中心最高溫度盡管達到了61.4℃，但混凝土內外未出現收縮裂縫，主要是因為混凝土中摻入了微膨脹劑UEA，在一定程度上抵消了混凝土的收縮變形。
　　(3)從設計上看，混凝土內部溫度降低至與基巖面相同通常需要一個漫長的過程，而導流隧洞封堵段能否擋水發電直接影響著工程效益。該導流隧洞封堵混凝土是在未進行接縫灌漿條件下擋水發電，在一定程度上承擔著風險。因此，需采取相應降低風險的措施還需進一步探索。
　　參考文獻
　　[1]甘文喜水工隧洞堵頭設計探討人民長江，2001,（5）
　　[2]林正偉水工隧洞堵頭用常規法與有限元法計算的差異水力發電，2002，（1）
　　[3]任尚卿陳飛水利水電工程爆破施工技術規范DLT5135-2001，2002