地下廠房滲流控制措施效果分析

白 彤

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局 陜西 咸陽(yáng) 712000）

在現(xiàn)代水電站建設(shè)中，地下廠房洞室群規(guī)模日趨宏大，地下洞室埋置于地下或山體中的深度由幾十米至數(shù)百米，這些實(shí)際工程的建設(shè)給巖土工作者提出了大量難題[1,2]。由于地下廠房多位于降雨形成的天然水位線以下，滲漏成為主要問(wèn)題，它不僅會(huì)影響廠房的正常運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是它可能會(huì)對(duì)廠房的安全造成極大的影響[3,4]。目前對(duì)地下廠房的防滲主要采取外側(cè)帷幕，內(nèi)側(cè)排水幕相結(jié)合的方法，廠房包裹在帷幕及排水孔的內(nèi)部[5-7]。對(duì)地下廠房防滲排水系統(tǒng)的布置和設(shè)計(jì)以及滲流控制效果的分析和評(píng)價(jià)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。本文采用裂隙巖體等效連續(xù)介質(zhì)模型，運(yùn)用有限元方法結(jié)合某工程實(shí)例，分析地下廠房洞室群滲流場(chǎng)特性，在此基礎(chǔ)上分析地下廠房洞室群防滲排水系統(tǒng)中防滲帷幕的滲流控制效果和排水幕的排水減壓效果。

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 工程概況

某工程地下廠房采用中部布置，主廠房、副廠房和安裝間呈“一”字形布置。安裝間及進(jìn)廠交通洞布置在主廠房右側(cè)，副廠房位于左側(cè)。采用上、下游雙排防滲帷幕及排水幕，壩內(nèi)設(shè)排水廊道。壩基設(shè)兩道帷幕，上游一側(cè)帷幕深度進(jìn)入相對(duì)不透水層5m。帷幕深度多在50m～115m之間。下游側(cè)單排帷幕深度約為30m。廠房區(qū)防滲排水設(shè)計(jì)采用阻水帷幕結(jié)合排水布置，廠房上游側(cè)帷幕灌漿廊道與廠房排水廊道共用，共三層，洞內(nèi)上游側(cè)為帷幕灌漿孔，下游側(cè)為排水孔，廠頂1836.5m高程布置“目”形排水洞，排水洞布置輻射排水孔，覆蓋了廠房、主變洞、尾調(diào)室，形成封閉排水幕。廠房周邊的排水洞及洞內(nèi)布置的排水孔形成外圍排水帷幕，在各洞室邊墻、頂拱均設(shè)有系統(tǒng)排水孔。地下廠房結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 計(jì)算模型

為了全面模擬樞紐區(qū)的滲流場(chǎng)，同時(shí)精細(xì)模擬廠房區(qū)滲流場(chǎng)。根據(jù)工程資料，模型選取范圍為：沿壩踵向上游取3倍壩高、壩趾向下游取4倍壩高，壩基取3倍壩高，兩岸壩肩向左右岸分別取3倍壩高。模型真實(shí)模擬樞紐區(qū)防滲系統(tǒng)的布置，廠房區(qū)主要由前后兩道帷幕共同防滲。模擬排水孔的實(shí)際位置和規(guī)模，對(duì)排水孔部位進(jìn)行重點(diǎn)剖分，模型共剖分單元總數(shù)384349，節(jié)點(diǎn)總數(shù)91296。本文只進(jìn)行運(yùn)行期工況的計(jì)算。模型上游水位施加已知水深96m，下游水位施加已知水深5m。模型壩基底面、上下游側(cè)面按不透水邊界考慮，左右岸側(cè)面按已知水頭施加，施加相應(yīng)的地下水位線，對(duì)于兼有灌漿的廊道按不透水邊界考慮，其余廊道按透水邊界考慮。對(duì)于排水孔的模擬，通過(guò)多次試算，在浸潤(rùn)線以下的排水孔節(jié)點(diǎn)施加其相應(yīng)的位置水頭，模擬透水邊界。本文根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)壓室下游邊壁假設(shè)為透水邊界。

2.3 計(jì)算參數(shù)

在進(jìn)行運(yùn)行期滲流計(jì)算之前，先對(duì)樞紐區(qū)天然滲流場(chǎng)進(jìn)行了參數(shù)反演分析，運(yùn)行期滲流計(jì)算參數(shù)均通過(guò)參數(shù)反演獲得。各區(qū)材料參數(shù)如表1所示。

2.4 計(jì)算工況

為進(jìn)行地下廠房滲流場(chǎng)特性分析，分析評(píng)價(jià)防滲帷幕以及排水幕的滲流控制效果。本文進(jìn)行運(yùn)行期多工況的滲流計(jì)算，計(jì)算工況表如表2所示。其中工況1為防滲排水系統(tǒng)正常運(yùn)行工況，工況2用于分析排水幕的排水降壓效果，工況3用于分析防滲帷幕的滲流控制效果。

圖1 地下廠房結(jié)構(gòu)模型

表1 各區(qū)材料滲透系數(shù)

表2 計(jì)算工況表

圖2 工況1廠房典型剖面水頭等值線圖

3 計(jì)算結(jié)果和分析

根據(jù)本文所取相關(guān)條件，防滲排水系統(tǒng)正常運(yùn)行工況（工況1）下，廠房典型橫向斷面和縱向斷面的水頭等值線圖分別如圖2所示。計(jì)算所得各工況下廠房區(qū)滲流量分別為22.725m3·h-1（工況 1）、9.09m3·h-1（工況 2）、79.776m3·h-1（工況3）。

該工程樞紐區(qū)采用雙層帷幕，壩基及左右岸設(shè)置第一道帷幕，廠房前側(cè)及右側(cè)設(shè)第二道帷幕。兩層帷幕聯(lián)合進(jìn)行樞紐區(qū)的滲流控制，特別是廠房洞室群的滲流控制。由圖2可知，由于防滲帷幕及排水孔的存在，上下游滲流場(chǎng)均得到有效控制，廠房洞室群區(qū)域水頭線明顯降低。廠前帷幕的防滲作用以及帷幕后排水幕的排水作用使廠前水位降低近60 m，廠房區(qū)域大部分在浸潤(rùn)線以上。在兩道防滲帷幕及排水幕處，浸潤(rùn)線均有明顯驟降，廠房右側(cè)由于防滲墻和排水幕的存在，浸潤(rùn)線也產(chǎn)生驟降，說(shuō)明防滲排水系統(tǒng)能夠取到明顯的滲流控制效果。防滲帷幕可以延長(zhǎng)滲徑，有效降低揚(yáng)壓力，排水幕可以有效排走繞過(guò)帷幕進(jìn)入廠房洞室群的水。廠房區(qū)域排出流量主要來(lái)自廠房底部的繞滲流量，其值基本上控制在集水井的排水流量以內(nèi)。廠房頂部的排水洞及排水孔主要位于疏干區(qū)，其作為一種安全儲(chǔ)備，可以用于排出降雨時(shí)的過(guò)大入滲量。

在排水措施失效情況下，由于防滲帷幕位于浸潤(rùn)線之下，所以即使帷幕正常工作，廠房區(qū)域水頭線仍明顯偏高。廠房洞室群基本處于浸潤(rùn)線之下，說(shuō)明廠房區(qū)排水孔及排水洞具有明顯有效的排水作用，對(duì)降低浸潤(rùn)線的效果也非常明顯。排水措施失效將造成浸潤(rùn)線過(guò)高，防滲帷幕失去應(yīng)有的作用，廠房區(qū)域也將承受較大水力坡降，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。地下廠房洞室群防滲排水系統(tǒng)中的排水系統(tǒng)，排水作用顯著，一定要保證暢通有效，防止堵塞。

在防滲帷幕失效的情況下，由于帷幕失去擋水作用，同時(shí)排水幕及排水洞正常運(yùn)行，大量水由排水措施排出，廠房區(qū)排出水量和壩基排出水量分別為帷幕正常運(yùn)行時(shí)的3.51倍和2.36倍，廠房洞室群區(qū)域浸潤(rùn)線相對(duì)于天然滲流場(chǎng)也明顯降低，進(jìn)一步說(shuō)明排水措施對(duì)廠房區(qū)域滲流場(chǎng)作用明顯。帷幕失效后，廠房區(qū)域高水頭只在排水措施周圍巖體消散，滲徑被大大縮小，這樣很容易引起排水幕及排水孔四周巖體的水力坡降過(guò)大，最大水力坡降達(dá)18左右，對(duì)周圍巖體的穩(wěn)定極為不利。所以雖然帷幕失效后廠房區(qū)滲流可以較好地被控制，但容易引起其它穩(wěn)定問(wèn)題，應(yīng)保證帷幕的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗头治龅玫降叵聫S房合理的滲流計(jì)算結(jié)果，探討了地下廠房洞室群防滲排水系統(tǒng)的可行性，分析排水幕及防滲帷幕的滲流控制效果。地下廠房洞室群天然水位較高，合理的防滲排水措施可以使地下廠房洞室群在適宜的環(huán)境下工作，保證其安全穩(wěn)定。地下廠房的排水幕及排水洞排水降壓以及降低浸潤(rùn)線的作用明顯，可以起到有效的滲控作用，一定要保證其正常運(yùn)行。廠房區(qū)域防滲帷幕可以大大延長(zhǎng)滲徑，對(duì)保證排水及廠房周圍的圍巖穩(wěn)定至關(guān)重要。陜西水利

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