黃金坪水電站左岸地下廠房滲控排水設計

羅 維 薇，　王 秀 全

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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黃金坪水電站左岸地下廠房滲控排水設計

羅 維 薇，王 秀 全

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：滲流控制是地下廠房設計的重要內容，黃金坪水電站地下廠房運行期滲流主要考慮調壓室及壓力管道內水外滲以及地下水的影響。結合水文地質條件和地下廠房洞室布置，進行了地下廠房滲控排水設計，運用三維有限元對滲流場和滲流量進行了分析計算。成果分析表明:通過布設排水廊道和排水孔，地下廠房洞室群的浸潤線明顯下降，三大洞室頂拱及大部分邊墻位于浸潤線以上有利于洞室穩定；廠區洞室在未設防滲帷幕的情況下總滲流量滿足設計要求。

關鍵詞：黃金坪水電站；地下廠房；滲控排水設計

1概述

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規劃“三庫22級”中的第11級電站。水庫正常蓄水位高程為1 476 m、相應水庫庫容為1.28億m3，電站總裝機容量850 MW，多年平均年發電量38.61億kW·h。電站采用水庫大壩和“一站兩廠”的混合式開發，樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、1條岸邊溢洪道、1條泄洪(放空)洞、左岸大廠房引水發電建筑物和右岸小廠房引水發電建筑物等組成。

左岸大廠房布置采用地下“尾部式”，引水發電系統由進水口、引水隧洞、調壓室、壓力管道、地下廠房、主變室、尾閘室和尾水隧洞組成。廠房三大洞室平行布置，主變室布置于廠房和尾閘室之間。主機間、副廠房和安裝間按“一”字型布置，總長度為204.3 m，寬25.5 m，高67.3 m。主變室總長度為148.8 m，寬度為17.8 m，高度為33.25 m。尾閘室長108 m，跨度8 m，高58.8 m。

廠房水平埋深245～450 m，垂直埋深320～430 m，地下廠房系統巖性以晉寧～澄江期斜長花崗巖(γ02(4))及石英閃長巖(δ02(3))為主，穿插有花崗閃長～角閃斜長巖質混染巖。廠區無大規模的斷層、構造帶和軟弱巖帶分布，巖體主要結構面為次級小斷層、擠壓破碎帶和節理裂隙且破碎帶寬度較小；廠房區巖體新鮮堅硬，較完整～局部完整性差，多呈次塊狀或鑲嵌狀結構，以Ⅲ類圍巖為主，成洞條件較好。廠址區邊坡巖體強卸荷水平廠址區除斷層帶具一定透水性外，陡傾裂隙一般透水性較弱，地下水屬基巖裂隙水。由于河谷深切、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，因此地下水位埋藏較深，總體上為地下水補給河水且地下水補給來源具有季節性特點。地下廠房各洞室底板高程較低，多在天然河水位高程以下，兩岸地下水位均高于廠房機組安裝高程。主廠房第一層開挖揭示洞壁整體干燥。深度為28 m，弱卸荷水平深度為105 m，0～190 m巖石呈弱風化。

2滲控排水設計

2.1滲控排水的設計思路

在地下廠房設計中，地下水滲流量的大小、滲控措施是否得當直接關系到廠房設計的經濟合理和安全運行。參考相關工程經驗，“首部式”地下廠房因靠近壩址布置，地下水來源為水庫滲水，廠區滲控措施常結合壩基防滲設置灌漿帷幕和排水幕。“尾部式”地下廠房由于其遠離庫區，天然地下水位通常較低，廠區滲控方案中常常不設灌漿帷幕，只設廠區排水幕。黃金坪水電站地下廠房為“尾部式”，按常規可考慮不設置灌漿帷幕，但由于調壓室距主廠房較近，兩洞室凈距僅115 m，且壓力管道上段采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌鋼筋混凝土按限裂標準設計；另外，在壓力管道施工平洞和主廠房上游墻的開挖過程中，發生過洞室垮塌的情況，說明局部存在的斷層、裂隙對巖體質量有影響，也有利于地下水發育，因此在廠區滲控方案設計中開展了三維有限元滲流分析，對滲流量進行了計算，對設置帷幕防滲效果進行了評價，進而為排水方案的設計提供了技術支持。

2.2廠區滲控排水系統布置

圖1　黃金坪水電站左岸地下廠房平面布置圖

該廠區排水自成系統，在廠房及主變室附近設置了3層平面上呈半封閉型式布置的排水廊道，廊道內設排水孔，將廠房和主變室籠罩在排水孔幕內以有效排除地下水，減輕洞室圍巖的外水壓力，提高地下廠房洞室群的圍巖穩定性，確保廠房系統的安全運行。廠房及排水廊道見圖1、2。 第一層排水 廊 道 底 板 高 程 為1 438.8～

1 429.35 m，位于主廠房上游邊墻25.15 m處，與廠房縱軸線平行；排水廊道在安裝間端頭向右延伸50 m，在副廠房端頭向左延伸60 m，轉彎至主變室下游與進風洞連接，平面上呈半封閉布置。第二層排水廊道底板高程為1 413～1 409.2 m，廊道平面位置與第一層排水廊道對應，在安裝間端頭向右延伸10 m通過交通聯系洞與進廠交通洞相接，在副廠房端頭向左延伸60 m，轉彎至主變室，平面上呈半封閉布置。第三層排水廊道底板高程為1 381.54～1 381.1 m，平面上與上面兩層排水廊道對應，廊道內的滲漏水排至主廠房滲漏集水井。三層排水廊道斷面尺寸均為2.5 m×3 m(寬×高)。排水孔設在排水廊道下游側，若有必要，可在排水廊道上游側進行帷幕灌漿，形成灌漿帷幕。

2.3廠內排水系統布置

在廠房頂拱及邊墻、主變室頂拱及邊墻等部位布設排水孔，排水孔間排距為3 m，孔徑為50 mm，深4～6 m，各部位的滲漏水經排水溝和預埋管道流入滲漏集水井。

3三維有限元滲流分析

3.1計算模型

圖2　黃金坪水電站地下廠房縱剖面布置圖

地下廠房滲流場按等效連續介質模型采用ADINA軟件進行分析。模型的上游斷面取至調壓室的上游邊壁以上50 m，下游斷面取至距尾閘室下游邊壁的下游145.4 m處，向左取至距廠房左邊墻100 m處，向右取至距副廠房右邊壁114.55 m處，向下取至高程1 300 m處，向上 取 至 高 程

1 500 m處，所建立的計算模型見圖3，整體模型尺寸為465 m×450 m×200 m。模型單元網格統一按照5 m長度劃分，局部洞口進行加密，總計106萬個單元，18萬個節點。

洞室的內排水包括廠房、主變室、尾水支洞、尾水主洞、洞壁或井壁等均設為可滲出邊界。在模型周圍加上與地下水位相同高程的水頭來模擬地下水位對整個滲流場的影響。在調壓室邊壁和壓力管道內施加相應工況的水頭邊界。

圖3　三維有限元計算模型示意圖

3.2計算參數

模型中各種介質材料的滲透系數見表1。

3.3 計算工況及方案

重點對地下廠房運行期進行滲流分析，考慮了調壓室正常水位和最高涌浪水位兩種工況以及設排水未設帷幕和既設排水、又設帷幕兩種方案的計算。計算工況及方案組合情況見表2。計算分析內容主要為滲控效果和滲流量；進行了材料滲透系數對地下廠房滲流量影響的敏感度分析，對滲流計算成果應用進行了評價。

表1　各介質滲透系數表

表2　計算工況及方案表

3.4計算成果分析

3.4.1滲透水頭分析

圖4、5為不同計算方案下地下廠房洞室群壓力水頭計算情況。

圖4　方案1(未設置帷幕且在正常水位運行)y=89 m剖面廠房洞室群壓力水頭圖

圖5　方案2(設置帷幕且在正常水位運行)y=89 m部面廠房洞室群壓力水頭圖

通過對圖4、5(計算結果水頭圖)進行分析得知：四個方案的壓力水頭線分布相似，其中在最高涌浪水位工況下，各個位置的水頭比正常水位工況均有所升高。以正常高水位工況進行分析，方案1、方案2壓力水頭圖分別見圖4、5。主廠房頂拱、母線洞、主變洞、閘室位于浸潤線以上，主廠房上游墻拱肩以下、下游邊墻母線洞以下部位處于浸潤線以下。排水廊道及其排水孔起到了很好的排水作用；從壓力水頭等值線分布情況看，第一層廊道處較分散，排水效果一般，但等值線變陡，發揮了降壓作用；第二層廊道處較密集，排水效果明顯；第三層排水廊道處非常密集，排水效果較為顯著。主廠房上游墻承擔有較高的壓力水頭，通過排水孔的排水減壓，下游邊墻浸潤線明顯下降。設置防滲帷幕后，帷幕與排水幕聯合作用后等值線發生驟降，帷幕發揮了阻水防滲作用。對比設置排水未設帷幕方案與既設排水又設置帷幕方案的壓力等值線圖，設置帷幕對降低廠房洞室群浸潤線水頭不明顯(圖4、5)。 3.4.2滲流量計算分析

滲流計算結果表明：各計算方案的總滲流量均小于設計限值400 m3/h；設置防滲帷幕后，廠房滲流量減小，計算成果見表3。

表3　各計算方案滲流總量表

3.4.3滲流量敏感度分析

在方案1的基礎上，對巖體和調壓室襯砌滲透系數、帷幕、廊道排水孔及三大洞室等效排水層滲透特性變化對廠房滲流量敏感度進行計算，其成果見表4。

分析結果表明：廠房滲流量對巖石滲透系數變化的敏感度非常高，當巖石滲透系數為2×10-6m/s時，流量已經超過了設計限值400 m3/h。廠房滲流量對防滲帷幕的滲透系數變化和排水孔滲透系數變化的敏感度不高；廠房滲流量對等效排水層滲透系數變化的敏感度較高，隨著等效排水層滲透系數的增加，廠區的流量呈增加趨勢；當其增加到1×10-4m/s時，流量超過了規定的范圍，但單位滲透系數內的單位時間總流量的變化率呈下降趨勢。

表4　滲透系數及其對應地下廠房流量表

4結語

(1)黃金坪水電站左岸地下廠房采用“尾部式”布置，調壓室和壓力管道內水外滲是洞室群滲流控制的主要問題。通過采取合理有效的排水措施，地下廠房洞室群區域浸潤線明顯下降，三大洞室頂拱及大部分邊墻位于浸潤線以上，排水系統的減壓效果明顯。

(2) 在未設置灌漿帷幕的情況下，通過對調壓室及壓力管道進行襯砌、廠區設置排水廊道、洞室設排水孔等滲控措施，廠區的總滲流量可以滿足設計要求。

(3)廠區設置防滲帷幕能夠減小廠房的滲水量，但對降低浸潤線水頭作用不明顯。

(4)圍巖的滲透系數對廠房滲流量影響大，若運行期進入廠房的滲流量超過設計要求，可以考慮在排水廊道內進行帷幕灌漿，當前布置的排水廊道具備實施條件。

(5)盡管主廠房頂拱、主變室及尾閘室上部邊墻及頂拱位于浸潤線以上，但從有利于洞室穩定性考慮，仍需設置排水措施，以排除降雨時的滲入水。

(責任編輯：李燕輝)

羅維薇(1965-)，女，貴州黔南人，高級工程師，學士，從事水電站水工結構設計工作；

王秀全(1967-)，男，吉林白城人，高級工程師，學士，從事水電工程設計工作.

Water Seepage Control and Drainage Design for Underground Powerhouse at Left Bank of Huangjinping Hydropower Station

LUO WeiweiWANG Xiuquan

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu , Sichuan, 610072,China)

Abstract:Seepage control is important in underground powerhouse design. Water leakage is concerned with water seepage of surge chamber and penstock from inside to outside and the impact of groundwater during operation of underground powerhouse at Huangjinping hydropower station. Combining with hydrogeological conditions and layout of underground caverns, the seepage control and drainage of underground powerhouse are designed. The seepage field and seepage flow are analyzed by three-dimensional finite element method. The results show that the seepage line decreases significantly because of drainage gallery and drainage holes. The crown and main part of the sidewalls of the three main caverns are above the seepage line. Without the waterproof curtain, the seepage flow of the underground caverns meets the design requirements.

Key words:Huangjinping hydropower station; underground powerhouse; water seepage control and drainage design

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0046-05

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV554;TV22;TV731.6

收稿日期:2015-12-31