溪洛渡水電站地下廠區(qū)滲控分析與防滲排水系統(tǒng)設(shè)計

趙曉峰，范湘蓉，佘鴻翔，彭 紅

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站地下廠房洞室群主要包括主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、壓力管道、尾水洞、母線洞、出線井等；整個洞室群密集，規(guī)模巨大，位于庫區(qū)正常蓄水位(600m高程)以下約200m的玄武巖山體中，具有典型的高水位庫區(qū)地下廠房特點。為了滿足樞紐工程的功能要求，在左、右岸共布置了4條泄洪洞、6條導(dǎo)流洞；同時，為了滿足施工要求，增加了一些必要的施工通道，使防滲排水體系設(shè)計難度加大，變得更為復(fù)雜。設(shè)計合理的地下廠區(qū)防滲排水方案至關(guān)重要，關(guān)系電站的長期安全運行。

2 水文地質(zhì)條件

溪洛渡水電站壩區(qū)處于緩傾角構(gòu)造部位，層間、層內(nèi)錯動帶較發(fā)育，陡傾裂隙一般短小，巖層透水性較弱，坡頂廣泛分布P2x相對隔水層；壩區(qū)河谷深切，岸坡陡峻，地表水入滲困難，補給水源有限，岸坡排泄條件良好，因此，兩岸地下水位埋藏較深，水位低緩，總體上地下水補給江水。根據(jù)鉆孔資料揭示，兩岸地下廠區(qū)地下水位大致在380m(枯水期)～390m(洪水期)之間。

地下廠區(qū)裂隙巖體透水性嚴(yán)格受構(gòu)造等因素控制，尤以緩傾角的層間、層內(nèi)錯動帶影響最大。由地下廠區(qū)鉆孔壓水試驗成果可知，地下廠區(qū)巖體透水性較小，以微～弱透水q<3Lu為主(占73.5%～86.8%)，部分弱透水q=3～10Lu(占8.5～23.9%)，少量中等透水q>10Lu(占2.7%～4.7%)。在空間分布上沒有明顯的變化規(guī)律，具有間隔式帶狀分布之特點，透水性較強段均為層間、層內(nèi)錯動帶發(fā)育地段。

兩岸谷坡巖體水平深度約50～70m，巖體以中等透水為主，部分強透水和弱透水；水平深度約50～100m，以弱透水為主，其間的層間、層內(nèi)錯動帶及影響帶、裂隙密集帶，呈中等透水；100～150m以里的微風(fēng)化～新鮮巖體除個別段為弱透水外，絕大部分為q<3Lu的微透水。試驗成果表明，巖體在高壓水頭作用下，透水性與常規(guī)壓力下的無明顯變化，基本上仍在一個量級范圍內(nèi)。巖體透水帶分區(qū)示意圖及相應(yīng)透水特性見圖1。

3 三維滲流計算與防滲排水布置方案

3.1 滲流分析計算邊界條件與假定

滲流計算假定單個裂隙滲流服從立方定理，然后把裂隙滲流量平均到整個單元中，于是裂隙巖體被概化成等效連續(xù)介質(zhì)模型，模型及邊界見圖2。

計算邊界主要有：①定水頭邊界——上游庫區(qū)600m高程以下的河岸邊界，下游河床382m高程以下的河床邊界；②出滲邊界——拱壩下游面，壩軸線下游382m高程以上的河岸邊界；③——40m高程為不透水邊界；④流量補給邊界——根據(jù)溪洛渡工程區(qū)大區(qū)域整體模型的滲控成果(見圖3)對左、右岸三維精細模型邊界插值，以求得本次計算分析區(qū)域邊界上的水頭值，進行滲流分析計算。

①——中等透水的弱風(fēng)化上段巖體；②——弱透水的弱風(fēng)化下段巖體；③——弱-微透水的微風(fēng)化新鮮巖體；④——石灰?guī)r相對阻水區(qū)；⑤——石灰?guī)r相對透水區(qū)

3.2 滲透參數(shù)取值與計算工況

弱上巖體因風(fēng)化較嚴(yán)重，其滲透特性趨于各向同性，根據(jù)幾何平均法，確定其滲透系數(shù)取0.215 0m/d。三維滲流計算中其它巖體主要滲流參數(shù)分別取值，所有層間、層內(nèi)錯動帶的滲透系數(shù)按風(fēng)化深度劃分：50m以外取為14.72m/d，50m以內(nèi)按不同巖層取為2.43～3.40m/d。

針對溪洛渡地下廠房區(qū)精細模型，從以下4個方面擬定計算工況：(1)廠房區(qū)防滲帷幕布置比較，包括防滲帷幕的平面長度和垂直深度比較；(2)廠房區(qū)排水孔幕布置比較，主要是指在主廠房、主變洞洞室表明是否布置“梅花形”排水孔的情況比較；(3)施工交通洞堵頭位置的比較，主要考慮堵頭位于該洞的進口附近以及堵頭位于該洞中部廠房附近兩種情況；(4)基巖滲透性參數(shù)對地下廠房區(qū)滲控的敏感性比較。共計15個組合工況。對溪洛渡左、右岸地下廠區(qū)運行期進行滲控計算分析比較，主要計算工況見表1。

圖2 計算模型

圖3 整體模型滲控水頭場等值線

表1 溪洛渡地下廠房區(qū)精細模型主要計算工況

3.3 滲流計算分析成果

通過對不同組合工況的大量計算比較表明，表1中工況6為控制工況。該工況下的地下廠區(qū)的滲流場見圖4、5。

主要結(jié)論如下：

(1)在運行期工作條件下，地下廠房區(qū)左、右岸地下水位最高約400.0m，滲透壓力水頭約3～5.0m，總體上不是很大，對地下廠房區(qū)的圍巖穩(wěn)定性不構(gòu)成控制性要素。

(2)地下廠房區(qū)的豎直排水孔幕的布置是可行的。

(3)防滲帷幕布置比較表明，目前擬定的二排防滲帷幕的平面長度和深度是合適的。

(4)層間錯動帶的滲透性參數(shù)敏感性比較表明，層間錯動帶的滲透性大小及各向異性比值對地下廠房區(qū)的滲流控制較為敏感。根據(jù)上述分析計算采用控制工況下的滲流量進行排水系統(tǒng)設(shè)計。左岸分區(qū)抽排流量分別為：進廠房交通支洞集水井約760m3/d；主變洞集水井約800m3/d；主廠房集水井約2 502m3/d。

(5)在控制工況下，左岸防滲帷幕的滲流梯度約7.7。

根據(jù)以上計算分析成果，通過多方案的地下廠房防滲、排水系統(tǒng)布置敏感性研究，確定了最終的防滲排水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計參數(shù)和布置方案。

圖4 左岸廠區(qū)滲流場水頭勢等值線

圖5 左岸地下廠房區(qū)典型剖面滲流場

4 防滲排水帷幕設(shè)計

4.1 防滲排水帷幕設(shè)計原則

(1)廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)采用“先阻后排、防排并舉”的立體布置方式；

(2)廠區(qū)防滲帷幕與壩區(qū)防滲帷幕連接，將廠房與庫區(qū)隔離；

(3)針對裂隙巖體的特點，加強廠區(qū)排水，以“廠外排水為主、廠內(nèi)排水為輔”，洞壁排水孔按“滲水大、多布孔，滲水小、少布孔”的原則布設(shè)；

(4)對于導(dǎo)流洞、1、2號過壩交通洞及地下廠房的施工支洞、勘探平硐等與庫內(nèi)相通的臨時建筑物采取“嚴(yán)密封堵，以堵為主、以排為輔” 的原則。

4.2 防滲標(biāo)準(zhǔn)

溪洛渡水電站正常蓄水位為600.00m，廠前最大水頭高達266.00m以上。廠房防滲帷幕標(biāo)準(zhǔn)為：高程561m以上，q≤3Lu；高程561m以下，q≤1Lu，防滲帷幕幕體的允許水力坡降Ia為30，α1≤0.4。灌漿實驗表明，灌漿后巖體變形呈現(xiàn)彈性變形，抗?jié)B透穩(wěn)定性、抗?jié)B透破壞能力和耐久性增強。

4.3 防滲排水帷幕布置

樞紐防滲帷幕由大壩基礎(chǔ)帷幕、左右岸主廠房前帷幕及二道壩帷幕組成。其中大壩基礎(chǔ)帷幕與左、右岸主廠房前帷幕相互聯(lián)接，廠房前帷幕折向山內(nèi)，形成上游庫水防滲體系，將廠房與庫區(qū)隔離。這不僅有利于保證廠房系統(tǒng)的滲控效果，同時也有利于保證拱壩壩肩抗力體的滲透穩(wěn)定。在進行帷幕灌漿后，考慮加強排水措施，通過排水孔加強裂隙間的連通，有利于地下水順利排出，從而減少巖體滲透壓力。同時，還在廠區(qū)附近以及洞室內(nèi)壁增設(shè)排水措施。防滲排水帷幕平面布置見圖6。

4.4 現(xiàn)場灌漿試驗

鑒于工程的重要性，在前期分別進行了兩次現(xiàn)場固結(jié)灌漿試驗。在試驗過程中，針對基礎(chǔ)巖體尤其是層間、層內(nèi)錯動帶的防滲問題，在完成了灌漿檢查孔壓水試驗后，在左、右岸試區(qū)分別進行了疲勞壓水試驗和破壞性壓水試驗。

(1) 疲勞性壓水試驗和破壞性壓水試驗成果表明：對以裂隙巖塊為主、少量含屑角礫型的層間層內(nèi)錯動帶灌漿后，防滲性得到了有效提高，能夠滿足基礎(chǔ)防滲的要求。

圖6 防滲帷幕平面布置

(2) 灌漿后，壓水試驗的平均透水率分別降低到0.75Lu和0.60Lu。疲勞壓水試驗表明，巖體在1.5倍的設(shè)計水頭3.5MPa下的透水率穩(wěn)定在0.94～1.21Lu；破壞壓水試驗表明，巖體在破壞壓力下所對應(yīng)的透水率為0.81～2.70Lu。灌漿后巖體變形呈現(xiàn)彈性變形，抗?jié)B透穩(wěn)定性、抗?jié)B透破壞能力和耐久性強。

4.5 帷幕灌漿設(shè)計

4.5.1 帷幕深度

帷幕從高程600.00m至324.00m深276m，共設(shè)5層灌漿廊道，并與大壩帷幕灌漿廊道相通。

4.5.2 帷幕排數(shù)

帷幕排數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗成果、廠壩區(qū)壩基滲透地質(zhì)情況、規(guī)范要求和類比國內(nèi)外已建工程資料等方面確定。

廠房324～485.00m高程間為2排(其中385m高程以下跨壓力鋼管段為3排)；485.00～600.00m高程間為1排。

4.5.3 帷幕灌漿壓力

按照規(guī)范要求，根據(jù)地質(zhì)情況和承受水頭大小綜合考慮，按孔深分級設(shè)計，帷幕孔頂部設(shè)計壓力3.5MPa，孔底最大設(shè)計壓力6.5MPa。

4.5.4 帷幕聯(lián)接

左、右岸帷幕分別在五層灌漿平洞中進行，為確保上、下層帷幕在平洞附近封閉形成整體，又避免由于帷幕灌漿壓力過大，造成對下層平洞洞壁巖體的破壞和漿液流失，采取在平洞上游側(cè)設(shè)置淺孔帷幕與主帷幕孔連接并使上、下層帷幕封閉成為整體，該淺孔帷幕實際上也成為平洞上游側(cè)圍巖的固結(jié)灌漿。

4.6 排水幕設(shè)計

排水幕從610.00m高程至324.00m高程，深度286m；單個排水孔深度為30～65m。

針對溪洛渡具體地質(zhì)情況，因壩基存在多層層間、層內(nèi)錯動帶，有坍塌和堵塞可能，亟需采取孔內(nèi)保護措施，為保證排水孔的有效性，排水孔孔徑均采用φ140mm。在灌漿平洞下游側(cè)設(shè)置排水幕。除壩頂600.00m層灌漿平洞不設(shè)置排水幕外，其余各層均在下游側(cè)頂拱設(shè)置一排排水幕，排水孔孔向均采用仰孔。

5 地下廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)布置

由于左岸和右岸的防滲排水系統(tǒng)布置基本一致，下面以左岸防滲排水系統(tǒng)的布置為代表說明(見圖7)。

5. 1 左岸防滲排水帷幕布置

在距左岸主廠房機組縱軸線靠水庫側(cè)75.50m位置設(shè)防滲、排水帷幕一道。防滲、排水帷幕與廠房縱軸線平行，折向下游大壩與導(dǎo)流洞堵頭、大壩基礎(chǔ)防滲排水帷幕系統(tǒng)相連，折向上游與1號公路隧洞堵頭相連，形成廠、壩防滲帷幕的整體式布置(見圖7)。

5.2 左岸廠區(qū)排水系統(tǒng)布置

地下廠房排水自成系統(tǒng)，采用“廠外排水為主、廠內(nèi)排水為輔”的設(shè)計原則。在廠房上游側(cè)、主變室下游側(cè)的不同高程布置三層排水廊道。其中第一層排水廊道滲水直接排入尾水調(diào)壓室，第二、第三層廊道的滲水，一部分排入廠房滲漏集水井，一部分排入主變室滲漏集水井。

另外，廠內(nèi)排水通過在廠房頂拱及中上部邊墻、主變室頂拱及邊墻等部位巖壁上設(shè)置φ48mm、L=8.00m@4.00m的系統(tǒng)排水孔，并在主廠房、主變室的特殊部位，如蝸殼層墻角、尾水管層墻角等部位，設(shè)置φ76mm、L=20.00m、排距4.00m的系統(tǒng)排水孔，與廠房、主變室四壁的防潮隔墻和頂棚緊密結(jié)合，形成廠內(nèi)排水系統(tǒng)。

通過采取上述防滲、排水措施，并類比國內(nèi)已建工程經(jīng)驗，可以達到地下廠房洞室群的滲流控制目的，從而確保地下廠房系統(tǒng)的安全運行。

圖7 左岸廠區(qū)防滲排水帷幕立面

6 結(jié)束語

目前，溪洛渡地下廠區(qū)的防滲排水系統(tǒng)正在實施過程中，從已經(jīng)實施的情況來看，針對層間、層內(nèi)錯動帶的帷幕灌漿以及穿帷幕的施工支洞和探洞的封堵是控制的難點和重點，這些部位還需要重點加強控制，因為它們直接關(guān)系到水庫蓄水后地下廠區(qū)帷幕的整體防滲效果和工程的安全運行。