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[摘 要]水工隧洞的封堵体是维系水工建筑物安全稳定的重要组成部分，本文对封堵体的传统计算方法与现有计算方法进行比对分析，并对后续的防渗、温控、灌浆方法进行了介绍，对水工隧洞封堵体的设计与施工有一定的指导意义。
[关键词]水工隧洞 封堵混凝土 设计 温控
中图分类号：TV314 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2013）16-0151-02
在水利工程建设过程中，往往会形成很多将要被废弃的水工隧洞（如一般的导流隧洞、地质探洞、施工支洞等）和将要被改建的水工隧洞（如与泄洪洞、引水发电洞、放空洞、引水灌溉隧洞等结合的导流隧洞等）。在它们完成自己的使命后，一般需要进行封堵处理，封堵体将成为水工建筑物的重要组成部分，同围岩或混凝土共同承担内水压力，对水工建筑物的稳定安全运行起到至关重要的作用。
1 设计依据和原则
1984年颁布的SD134-84《水工隧洞设计规范》（试行）中尚未明确封堵体设计的具体要求，封堵体的设计基本按照经验公式进行计算。后颁布的新规范SL279-2002对此作出了修订，对水工建筑物封堵体的设计提出了明确要求：“封堵体的位置应根据围岩的工程地质和水文地质条件、已有的支护和衬砌情况、相邻建筑物的布置和运行要求综合分析决定；封堵体的体型和长度应根据承受水压力的大小、地质条件、施工方法、封堵材料、运行要求，并考虑施工工期综合各种因素分析研究。”
结合工程实际情况，一般水工隧洞封堵体设计的主要原则和假定条件如下：
①封堵体属于大坝整体的一部分，充当围岩作用的封堵体应与所在主洞的建筑物设计等级保持一致；
②封堵体应安全可靠，稳定性和抗渗性必须满足工程使用要求和当地抗震要求，导流洞的封堵体应与大坝的防渗帷幕连接成整体；
③水压力（必要时可计入浮托力）是作用于封堵体上的唯一外荷载；
④封堵体是水头荷载沿周界产生静剪力的刚性体，剪应力沿周边均匀分布；
⑤堵头混凝土的抗压强度完全满足要求，只作抗滑稳定计算；
⑥工程实际存在的地应力、灌浆压力、洞周的凹凸不平形成嵌槽剪力等作为安全储备，不参与计算；
⑦封堵体设计应考虑到施工技术水平、建筑材料和施工环境等因素的影响；
⑧封堵体设计还应考虑内水压力、围岩的爆破松动范围、施工工期等要求。
2 封堵体的体形设计
封堵体的体型和长度应根据封堵体所承受内水压力的大小、地质条件、施工方法、封堵材料、运行要求，并考虑施工工期等综合因素分析研究确定，应在安全可靠的前提下，尽量简单实用，并尽可能具有较大的超载能力。封堵体的选型一般应考虑下列三个因素。
①水头因素：一般中高水头水工隧洞的封堵应尽量选用超载能力较强的瓶塞式封堵体，低水头水工隧洞的封堵可选用体型较简单的等截面柱状封堵体。
②断面因素：方圆形断面隧洞应尽量选用瓶塞式封堵体，其齿槽与隧洞可同时开挖，并且对于衬砌段可随衬砌进行混凝土浇筑以及灌浆等。圆形隧洞特别是采用掘进机开挖的圆形隧洞应尽量采用等截面柱状封堵体，以简化施工。
③施工因素：隧洞封堵一般施工期工期较紧，因此，选用结构简单的体型尤为重要。
3 计算方法
3.1 经验公式
20世纪80年代以前，水工隧洞封堵体常采用3倍洞径或更大倍数。随着工程实践的增加，其长度逐渐减小，目前采用该种办法确定封堵体长度时多用于水头小的中小型工程，采用2～2.5倍洞径。这种简单按洞径因素的纯经验方法的最大缺陷是只考虑洞径的影响，没有考虑作用在其上的水压力，这种方法受力模糊，缺乏科学性。通过大量的工程实践，并对投入运行的封堵体长度分析，总结出一些经验公式，用得较多的经验公式有以下两种：
①
式中：H为作用水头，L为封堵体长度。此公式不考虑洞径大小（即承受的外荷载），仅按水头大小选择封堵体长度，其稳定性安全系数存在较大差异。
②
式中：D为封堵体的直径，m为有效系数，其值为0. 0125～0.02。该计算公式的合理性有较大的进步，它将封堵长度与作用水头和封堵体直径结合在一起，比较符合实际情况。其缺陷是没有考虑围岩的影响。
3.2 规范公式
规范SL279-2002中封堵体长度计算公式为：
式中：L为封堵体长度；P为封堵体迎水面承受的总水压；为容许剪应力， 取0.2～0.3MPa；A为封堵体剪切面周长。
此公式主要适用于等截面封堵体长度的计算。由于目前水工隧洞的封堵体大多为相同截面，极少出现变截面的封堵体，因此，目前大多数水工隧洞封堵体设计计算都采用此公式。在计算过程中，封堵体迎水面承受的总水压还应考虑压力管道内因流速突变而产生的水锤作用。如龙滩水电站地下厂房系统工程2号施工支洞封堵体承受220 m水压力，经计算，采用的封堵体长度为30 m。
3.3 水力梯度计算公式
根据大量的有关水工混凝土抗渗试验资料，30d以上龄期混凝土的临界水力梯度一般都超过1800。按照水工混凝土的抗渗性能要求，并结合已建水利工程的混凝土渗透性试验和各类工程施工经验，一般情况下，水工隧洞封堵混凝土的水力梯度最大控制在8以内（即 i ≤8），并以此来校核水工隧洞封堵体长度的可靠性和抗渗情况。按水力梯度计算封堵长度公式为：
式中：L为封堵体长度；H为封堵体迎水面最大水头，其包括静水头和因流速突变形成的水锤作用而增加的水头压力；i为水力梯度。
3.4 三维有限元分析计算
随着计算理论、计算方法的发展和计算手段的不断更新，运用大型电子计算机和大型结构分析程序，对一些大型工程水工隧洞封堵体及一定范围的围岩进行三维有限元应力分析计算确定封堵体的长度，并已在多个大型工程中得到应用。 应用三维有限元分析计算，确定封堵体长度及其周围不良岩体应采用的加固措施，不仅可以减少工程量、节省投资，而且可以缩短封堵体的施工时间，使得工程提前运行并提早产生效益，值得推广和应用。
4 封堵体的防渗处理
水工隧洞封堵后的渗漏有三方面原因造成：第一，地质情况复杂，堵头周围的岩体存有漏水通道和较发育的渗水裂隙；第二，堵头周界（特别是顶部）存在有贯通的缝面；第三，在压力水头作用下堵头本身和其一定范围内围岩的渗水。通常由前面两个原因引起的渗漏量比较大，必须通过工程措施进行处理。将导流洞堵头布置在防渗帷幂处，就是为了防止由于地质情况没有查明引起渗漏量大时，可以通过加深帷幕来封堵裂隙。对于堵头周界的缝面，经过回填灌浆和接触灌浆后，一般都不会产生漏水。至于压力水头作用形成的渗流，其流量通常较小，对堵头和周围的岩石不会引起失稳破坏，故通常是根据水力梯度的大小，对堵头混凝土提出一定的抗渗要求。堵头的洞室若有特殊用途，需要估算渗水量时，可将渗流场简化并假定为符合达西定律的问题来处理，估算渗水量公式如下：
式中Q为渗水量；K为渗透系数；A为渗流断面面积；H为作用水头；L为渗径长度。
计算时对堵头和围岩的渗水量分别计算再叠加。围岩的渗水量计算时，渗流影响区的半径可取堵头等效半径的3～5倍。
5 混凝土温控措施
堵头属大体积混凝土，通常都要进行堵头温度控制措施设计，其目的是为了防止堵头产生裂缝和确定达到接触缝灌浆温度时所需要的时间。由于堵头所处的环境比较特殊，大量的温度和温度应力分析成果以及堵头运行实践说明，采取一定的温控措施后没有必要对每一个堵头都进行温度应力分析计算，堵头不会产生沿洞轴线的纵向贯穿裂缝，也不会发生横向贯穿裂缝。
堵头温控所采用的比较普遍的措施主要有：
①采用水化热比较低的水泥，并限制每方混凝土中的水泥用量，适当掺加粉煤灰；
②选择低温时段浇筑堵头混凝土；
③使用预冷混凝土进行浇筑施工；
④在堵头内埋设冷却水管通水冷却；
⑤在堵头内埋人温度计和测缝计。
6 灌浆设计
堵头灌浆主要进行固结灌浆、回填灌浆、接触灌浆和接缝灌浆。一般情况下，堵头需设置灌浆廊道，回填灌浆、接触灌浆和接缝灌浆均在廊道内进行。
6.1 固结灌浆
固结灌浆是对堵头外部围岩的加固处理。堵头段围岩在导流洞施工时一般 已进行过固结灌浆，考虑到堵头的重要性、受力特点及坝体帷幕灌浆，一般在堵头施工时还需对围岩进行补强灌浆处理，固结灌浆一般为压力1.5MPa。
6.2 回填灌浆
堵头混凝土在浇筑完成后，由于重力作用和混凝土的干缩，堵头混凝土与洞 壁岩石或堵头混凝土与导流洞衬砌混凝土之间会形成一个空腔，所以堵头必须进行回填灌浆。回填灌浆在堵头混凝土达到设计强度的70%后进行，灌浆管预埋在堵头混凝土中，分为进浆管和回浆管，灌浆管通常采用硬塑料管，一般情况下，灌浆范围为拱顶120°，并在顶部设排气槽，灌浆压力一般为0.3～0.4MPa。
6.3 接触灌浆
在堵头混凝土达到稳定温度以后，由于重力作用和混凝土的干缩，堵头混凝土与洞壁岩石或堵头混凝土与导流洞衬砌混凝土之间会有缝隙，所以堵头往往还要进行接触灌浆。接触灌浆管预埋在堵头混凝土中，分为进浆管、回浆管和灌浆支管，灌浆管通常采用硬塑料管，一般情况下，灌浆范围为拱顶及侧墙，在灌浆支管出口一般需设置灌浆盒，灌浆压力一般为0.3～0.5MPa。
6.4 接缝灌浆
接缝灌浆是对堵头分段浇筑处的灌浆，如果堵头不设横缝，则不需进行接缝灌浆。接缝灌浆压力一般为0.3～0.5MPa，接缝灌浆在混凝土堵头全部浇筑完成，并且混凝土温度降到稳定温度后进行。
参考文献
[1] 姚福海，论水工隧洞封堵设计，地下工程技术，2002（4）.
[2] SL 279-2002，水工隧洞设计规范，中国水利水电出版社，2002.
[3] 甘文喜，水工隧洞堵头设计探讨，人民长江，2001，32（5）.
[4] 张志立，水工隧洞封堵体设计与施工，湖南水利水电，2002（4）.
[关键词]水工隧洞 封堵混凝土 设计 温控
中图分类号：TV314 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2013）16-0151-02
在水利工程建设过程中，往往会形成很多将要被废弃的水工隧洞（如一般的导流隧洞、地质探洞、施工支洞等）和将要被改建的水工隧洞（如与泄洪洞、引水发电洞、放空洞、引水灌溉隧洞等结合的导流隧洞等）。在它们完成自己的使命后，一般需要进行封堵处理，封堵体将成为水工建筑物的重要组成部分，同围岩或混凝土共同承担内水压力，对水工建筑物的稳定安全运行起到至关重要的作用。
1 设计依据和原则
1984年颁布的SD134-84《水工隧洞设计规范》（试行）中尚未明确封堵体设计的具体要求，封堵体的设计基本按照经验公式进行计算。后颁布的新规范SL279-2002对此作出了修订，对水工建筑物封堵体的设计提出了明确要求：“封堵体的位置应根据围岩的工程地质和水文地质条件、已有的支护和衬砌情况、相邻建筑物的布置和运行要求综合分析决定；封堵体的体型和长度应根据承受水压力的大小、地质条件、施工方法、封堵材料、运行要求，并考虑施工工期综合各种因素分析研究。”
结合工程实际情况，一般水工隧洞封堵体设计的主要原则和假定条件如下：
①封堵体属于大坝整体的一部分，充当围岩作用的封堵体应与所在主洞的建筑物设计等级保持一致；
②封堵体应安全可靠，稳定性和抗渗性必须满足工程使用要求和当地抗震要求，导流洞的封堵体应与大坝的防渗帷幕连接成整体；
③水压力（必要时可计入浮托力）是作用于封堵体上的唯一外荷载；
④封堵体是水头荷载沿周界产生静剪力的刚性体，剪应力沿周边均匀分布；
⑤堵头混凝土的抗压强度完全满足要求，只作抗滑稳定计算；
⑥工程实际存在的地应力、灌浆压力、洞周的凹凸不平形成嵌槽剪力等作为安全储备，不参与计算；
⑦封堵体设计应考虑到施工技术水平、建筑材料和施工环境等因素的影响；
⑧封堵体设计还应考虑内水压力、围岩的爆破松动范围、施工工期等要求。
2 封堵体的体形设计
封堵体的体型和长度应根据封堵体所承受内水压力的大小、地质条件、施工方法、封堵材料、运行要求，并考虑施工工期等综合因素分析研究确定，应在安全可靠的前提下，尽量简单实用，并尽可能具有较大的超载能力。封堵体的选型一般应考虑下列三个因素。
①水头因素：一般中高水头水工隧洞的封堵应尽量选用超载能力较强的瓶塞式封堵体，低水头水工隧洞的封堵可选用体型较简单的等截面柱状封堵体。
②断面因素：方圆形断面隧洞应尽量选用瓶塞式封堵体，其齿槽与隧洞可同时开挖，并且对于衬砌段可随衬砌进行混凝土浇筑以及灌浆等。圆形隧洞特别是采用掘进机开挖的圆形隧洞应尽量采用等截面柱状封堵体，以简化施工。
③施工因素：隧洞封堵一般施工期工期较紧，因此，选用结构简单的体型尤为重要。
3 计算方法
3.1 经验公式
20世纪80年代以前，水工隧洞封堵体常采用3倍洞径或更大倍数。随着工程实践的增加，其长度逐渐减小，目前采用该种办法确定封堵体长度时多用于水头小的中小型工程，采用2～2.5倍洞径。这种简单按洞径因素的纯经验方法的最大缺陷是只考虑洞径的影响，没有考虑作用在其上的水压力，这种方法受力模糊，缺乏科学性。通过大量的工程实践，并对投入运行的封堵体长度分析，总结出一些经验公式，用得较多的经验公式有以下两种：
①
式中：H为作用水头，L为封堵体长度。此公式不考虑洞径大小（即承受的外荷载），仅按水头大小选择封堵体长度，其稳定性安全系数存在较大差异。
②
式中：D为封堵体的直径，m为有效系数，其值为0. 0125～0.02。该计算公式的合理性有较大的进步，它将封堵长度与作用水头和封堵体直径结合在一起，比较符合实际情况。其缺陷是没有考虑围岩的影响。
3.2 规范公式
规范SL279-2002中封堵体长度计算公式为：
式中：L为封堵体长度；P为封堵体迎水面承受的总水压；为容许剪应力， 取0.2～0.3MPa；A为封堵体剪切面周长。
此公式主要适用于等截面封堵体长度的计算。由于目前水工隧洞的封堵体大多为相同截面，极少出现变截面的封堵体，因此，目前大多数水工隧洞封堵体设计计算都采用此公式。在计算过程中，封堵体迎水面承受的总水压还应考虑压力管道内因流速突变而产生的水锤作用。如龙滩水电站地下厂房系统工程2号施工支洞封堵体承受220 m水压力，经计算，采用的封堵体长度为30 m。
3.3 水力梯度计算公式
根据大量的有关水工混凝土抗渗试验资料，30d以上龄期混凝土的临界水力梯度一般都超过1800。按照水工混凝土的抗渗性能要求，并结合已建水利工程的混凝土渗透性试验和各类工程施工经验，一般情况下，水工隧洞封堵混凝土的水力梯度最大控制在8以内（即 i ≤8），并以此来校核水工隧洞封堵体长度的可靠性和抗渗情况。按水力梯度计算封堵长度公式为：
式中：L为封堵体长度；H为封堵体迎水面最大水头，其包括静水头和因流速突变形成的水锤作用而增加的水头压力；i为水力梯度。
3.4 三维有限元分析计算
随着计算理论、计算方法的发展和计算手段的不断更新，运用大型电子计算机和大型结构分析程序，对一些大型工程水工隧洞封堵体及一定范围的围岩进行三维有限元应力分析计算确定封堵体的长度，并已在多个大型工程中得到应用。 应用三维有限元分析计算，确定封堵体长度及其周围不良岩体应采用的加固措施，不仅可以减少工程量、节省投资，而且可以缩短封堵体的施工时间，使得工程提前运行并提早产生效益，值得推广和应用。
4 封堵体的防渗处理
水工隧洞封堵后的渗漏有三方面原因造成：第一，地质情况复杂，堵头周围的岩体存有漏水通道和较发育的渗水裂隙；第二，堵头周界（特别是顶部）存在有贯通的缝面；第三，在压力水头作用下堵头本身和其一定范围内围岩的渗水。通常由前面两个原因引起的渗漏量比较大，必须通过工程措施进行处理。将导流洞堵头布置在防渗帷幂处，就是为了防止由于地质情况没有查明引起渗漏量大时，可以通过加深帷幕来封堵裂隙。对于堵头周界的缝面，经过回填灌浆和接触灌浆后，一般都不会产生漏水。至于压力水头作用形成的渗流，其流量通常较小，对堵头和周围的岩石不会引起失稳破坏，故通常是根据水力梯度的大小，对堵头混凝土提出一定的抗渗要求。堵头的洞室若有特殊用途，需要估算渗水量时，可将渗流场简化并假定为符合达西定律的问题来处理，估算渗水量公式如下：
式中Q为渗水量；K为渗透系数；A为渗流断面面积；H为作用水头；L为渗径长度。
计算时对堵头和围岩的渗水量分别计算再叠加。围岩的渗水量计算时，渗流影响区的半径可取堵头等效半径的3～5倍。
5 混凝土温控措施
堵头属大体积混凝土，通常都要进行堵头温度控制措施设计，其目的是为了防止堵头产生裂缝和确定达到接触缝灌浆温度时所需要的时间。由于堵头所处的环境比较特殊，大量的温度和温度应力分析成果以及堵头运行实践说明，采取一定的温控措施后没有必要对每一个堵头都进行温度应力分析计算，堵头不会产生沿洞轴线的纵向贯穿裂缝，也不会发生横向贯穿裂缝。
堵头温控所采用的比较普遍的措施主要有：
①采用水化热比较低的水泥，并限制每方混凝土中的水泥用量，适当掺加粉煤灰；
②选择低温时段浇筑堵头混凝土；
③使用预冷混凝土进行浇筑施工；
④在堵头内埋设冷却水管通水冷却；
⑤在堵头内埋人温度计和测缝计。
6 灌浆设计
堵头灌浆主要进行固结灌浆、回填灌浆、接触灌浆和接缝灌浆。一般情况下，堵头需设置灌浆廊道，回填灌浆、接触灌浆和接缝灌浆均在廊道内进行。
6.1 固结灌浆
固结灌浆是对堵头外部围岩的加固处理。堵头段围岩在导流洞施工时一般 已进行过固结灌浆，考虑到堵头的重要性、受力特点及坝体帷幕灌浆，一般在堵头施工时还需对围岩进行补强灌浆处理，固结灌浆一般为压力1.5MPa。
6.2 回填灌浆
堵头混凝土在浇筑完成后，由于重力作用和混凝土的干缩，堵头混凝土与洞 壁岩石或堵头混凝土与导流洞衬砌混凝土之间会形成一个空腔，所以堵头必须进行回填灌浆。回填灌浆在堵头混凝土达到设计强度的70%后进行，灌浆管预埋在堵头混凝土中，分为进浆管和回浆管，灌浆管通常采用硬塑料管，一般情况下，灌浆范围为拱顶120°，并在顶部设排气槽，灌浆压力一般为0.3～0.4MPa。
6.3 接触灌浆
在堵头混凝土达到稳定温度以后，由于重力作用和混凝土的干缩，堵头混凝土与洞壁岩石或堵头混凝土与导流洞衬砌混凝土之间会有缝隙，所以堵头往往还要进行接触灌浆。接触灌浆管预埋在堵头混凝土中，分为进浆管、回浆管和灌浆支管，灌浆管通常采用硬塑料管，一般情况下，灌浆范围为拱顶及侧墙，在灌浆支管出口一般需设置灌浆盒，灌浆压力一般为0.3～0.5MPa。
6.4 接缝灌浆
接缝灌浆是对堵头分段浇筑处的灌浆，如果堵头不设横缝，则不需进行接缝灌浆。接缝灌浆压力一般为0.3～0.5MPa，接缝灌浆在混凝土堵头全部浇筑完成，并且混凝土温度降到稳定温度后进行。
参考文献
[1] 姚福海，论水工隧洞封堵设计，地下工程技术，2002（4）.
[2] SL 279-2002，水工隧洞设计规范，中国水利水电出版社，2002.
[3] 甘文喜，水工隧洞堵头设计探讨，人民长江，2001，32（5）.
[4] 张志立，水工隧洞封堵体设计与施工，湖南水利水电，2002（4）.