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(jì)

趙曉峰，范湘蓉，佘鴻翔，彭 紅

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)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(gè)洞室群密集，規(guī)模巨大，位于庫(kù)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(kù)區(qū)地下廠房特點(diǎn)。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(shí)，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(jì)難度加大，變得更為復(fù)雜。設(shè)計(jì)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(zhǎng)期安全運(yùn)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(cuò)動(dòng)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(duì)隔水層；壩區(qū)河谷深切，岸坡陡峻，地表水入滲困難，補(bǔ)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(bǔ)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(cuò)動(dòng)帶影響最大。由地下廠區(qū)鉆孔壓水試驗(yàn)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(diǎn)，透水性較強(qiáng)段均為層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)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(qiáng)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(cuò)動(dòng)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(gè)別段為弱透水外，絕大部分為q<3Lu的微透水。試驗(yàn)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(wú)明顯變化，基本上仍在一個(gè)量級(jí)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(jì)算與防滲排水布置方案

3.1 滲流分析計(jì)算邊界條件與假定

滲流計(jì)算假定單個(gè)裂隙滲流服從立方定理，然后把裂隙滲流量平均到整個(gè)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(jì)算邊界主要有：①定水頭邊界——上游庫(kù)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(bǔ)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(duì)左、右岸三維精細(xì)模型邊界插值，以求得本次計(jì)算分析區(qū)域邊界上的水頭值，進(jìn)行滲流分析計(jì)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(duì)阻水區(qū)；⑤——石灰?guī)r相對(duì)透水區(qū)

3.2 滲透參數(shù)取值與計(jì)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(jì)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(cuò)動(dòng)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(duì)溪洛渡地下廠房區(qū)精細(xì)模型，從以下4個(gè)方面擬定計(jì)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(zhǎng)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(jìn)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(duì)地下廠房區(qū)滲控的敏感性比較。共計(jì)15個(gè)組合工況。對(duì)溪洛渡左、右岸地下廠區(qū)運(yùn)行期進(jìn)行滲控計(jì)算分析比較，主要計(jì)算工況見表1。

圖2 計(jì)算模型

圖3 整體模型滲控水頭場(chǎng)等值線

表1 溪洛渡地下廠房區(qū)精細(xì)模型主要計(jì)算工況

3.3 滲流計(jì)算分析成果

通過對(duì)不同組合工況的大量計(jì)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(chǎng)見圖4、5。

主要結(jié)論如下：

(1)在運(yùn)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(duì)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(zhǎng)度和深度是合適的。

(4)層間錯(cuò)動(dòng)帶的滲透性參數(shù)敏感性比較表明，層間錯(cuò)動(dòng)帶的滲透性大小及各向異性比值對(duì)地下廠房區(qū)的滲流控制較為敏感。根據(jù)上述分析計(jì)算采用控制工況下的滲流量進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。左岸分區(qū)抽排流量分別為：進(jìn)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(jì)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(jì)參數(shù)和布置方案。

圖4 左岸廠區(qū)滲流場(chǎng)水頭勢(shì)等值線

圖5 左岸地下廠房區(qū)典型剖面滲流場(chǎng)

4 防滲排水帷幕設(shè)計(jì)

4.1 防滲排水帷幕設(shè)計(jì)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(kù)區(qū)隔離；

(3)針對(duì)裂隙巖體的特點(diǎn)，加強(qiáng)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(duì)于導(dǎo)流洞、1、2號(hào)過壩交通洞及地下廠房的施工支洞、勘探平硐等與庫(kù)內(nèi)相通的臨時(shí)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(dá)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)。

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(kù)水防滲體系，將廠房與庫(kù)區(qū)隔離。這不僅有利于保證廠房系統(tǒng)的滲控效果，同時(shí)也有利于保證拱壩壩肩抗力體的滲透穩(wěn)定。在進(jìn)行帷幕灌漿后，考慮加強(qiáng)排水措施，通過排水孔加強(qiáng)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(shí)，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(chǎng)灌漿試驗(yàn)

鑒于工程的重要性，在前期分別進(jìn)行了兩次現(xiàn)場(chǎng)固結(jié)灌漿試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，針對(duì)基礎(chǔ)巖體尤其是層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的防滲問題，在完成了灌漿檢查孔壓水試驗(yàn)后，在左、右岸試區(qū)分別進(jìn)行了疲勞壓水試驗(yàn)和破壞性壓水試驗(yàn)。

(1) 疲勞性壓水試驗(yàn)和破壞性壓水試驗(yàn)成果表明：對(duì)以裂隙巖塊為主、少量含屑角礫型的層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)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(yàn)的平均透水率分別降低到0.75Lu和0.60Lu。疲勞壓水試驗(yàn)表明，巖體在1.5倍的設(shè)計(jì)水頭3.5MPa下的透水率穩(wěn)定在0.94～1.21Lu；破壞壓水試驗(yàn)表明，巖體在破壞壓力下所對(duì)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(qiáng)。

4.5 帷幕灌漿設(shè)計(jì)

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(chǎng)灌漿試驗(yàn)成果、廠壩區(qū)壩基滲透地質(zhì)情況、規(guī)范要求和類比國(guó)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(jí)設(shè)計(jì)，帷幕孔頂部設(shè)計(jì)壓力3.5MPa，孔底最大設(shè)計(jì)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(jìn)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(duì)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(shí)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(jì)

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

針對(duì)溪洛渡具體地質(zhì)情況，因壩基存在多層層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶，有坍塌和堵塞可能，亟需采取孔內(nèi)保護(hù)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(shuō)明(見圖7)。

5. 1 左岸防滲排水帷幕布置

在距左岸主廠房機(jī)組縱軸線靠水庫(kù)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(hào)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(jì)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(guó)內(nèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)，可以達(dá)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(yùn)行。

圖7 左岸廠區(qū)防滲排水帷幕立面

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，溪洛渡地下廠區(qū)的防滲排水系統(tǒng)正在實(shí)施過程中，從已經(jīng)實(shí)施的情況來(lái)看，針對(duì)層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)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(diǎn)和重點(diǎn)，這些部位還需要重點(diǎn)加強(qiáng)控制，因?yàn)樗鼈冎苯雨P(guān)系到水庫(kù)蓄水后地下廠區(qū)帷幕的整體防滲效果和工程的安全運(yùn)行。