地下廠房防滲排水方案的三維滲流仿真模擬設(shè)計(jì)

姚新剛，胡正凱

(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

?

地下廠房防滲排水方案的三維滲流仿真模擬設(shè)計(jì)

姚新剛，胡正凱

(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

句容抽水蓄能電站地下廠房區(qū)存在巖溶水滲漏可能，暴雨期涌水量大.通過地下廠房洞群圍巖滲流三維仿真模擬，分析了各方案滲控效果，圍繞巖溶通道和降雨補(bǔ)給兩大特點(diǎn)，通過方案對(duì)比優(yōu)選，充分考慮帷幕灌漿對(duì)于阻隔巖石裂隙水和封閉巖溶通道的作用，確定采用全封閉灌漿帷幕加全封閉排水孔作為地下廠房防滲排水措施.

句容抽水蓄能電站；地下廠房；三維滲流場(chǎng)；防滲帷幕

地下水對(duì)于地下廠房洞室的不利影響主要體現(xiàn)為：圍巖長期處于飽和狀態(tài)，巖石物理力學(xué)參數(shù)降低，對(duì)洞室穩(wěn)定不利；地下水的存在導(dǎo)致廠房處于潮濕狀態(tài)，不利于電氣設(shè)備長久可靠運(yùn)行；當(dāng)滲水量很大時(shí)，地下廠房面臨局部淹沒的風(fēng)險(xiǎn).因此，對(duì)于地下廠房而言，防滲排水設(shè)計(jì)對(duì)于提高洞室穩(wěn)定，改善設(shè)備運(yùn)行條件，降低廠房淹沒風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義.

句容地下廠房區(qū)位于地下水位以下，地下廠房區(qū)存在管道—溶孔-裂隙含水層，因此地下廠房存在巖溶水的滲漏可能[1]，暴雨期涌水量較大.本文擬定了兩套方案，并根據(jù)地下廠房洞群圍巖滲流三維仿真模擬成果，優(yōu)選出句容地下廠房防滲排水方案.

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

句容抽水蓄能電站位于江蘇省句容市境內(nèi)，樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等組成.地下廠房位于侖山主峰北東側(cè)山坡，地面高程為175～200 m,上覆巖體厚約140～160 m.地下廠房位于輸水線路尾部，廠房上游側(cè)距上水庫約880 m，引水豎井距廠房上游側(cè)約141 m，豎井高程為26～104 m，主變洞下游側(cè)距下水庫約250 m.圍巖以Ⅲ類為主，斷層破碎帶、巖脈蝕變帶、溶蝕裂隙處為Ⅳ～Ⅴ類.地下廠房主洞室包括主副廠房洞、主變洞，主副廠房洞開挖尺寸為246.5 m×25.8 m×57.2 m(長×寬×高)，主變洞開挖尺寸為242.5 m×18 m×(22.15～28.85)m(長×寬×高)，兩大洞室平行布置，凈距為40 m.

地下廠房、主變洞位于地下水位以下，廠房區(qū)巖體透水率以小于3 Lu為主，透水性小，屬弱～微透水性，平洞揭露的斷層F30、f32、f34、f36穿過廠房，外圍斷層發(fā)育，如f38、f33、F45、F44等，斷層帶均具溶蝕現(xiàn)象，紅色粘土充填，暴雨季節(jié)f33斷層帶涌水量達(dá)300 L/min；其周邊的斷層f29帶內(nèi)涌水量達(dá)600～700 L/min，位于廠房的下游約40～50 m斷層f38涌水量達(dá)240～250 L/min.f99斷層在PD2-1洞內(nèi)揭露寬1～2 m的溶洞，出現(xiàn)涌泥現(xiàn)象，f99斷層穿進(jìn)主變洞并與F84斷層相連，因此廠房區(qū)內(nèi)存在管道—溶孔-裂隙含水層，地下水活動(dòng)受結(jié)構(gòu)面、溶蝕裂隙控制，在施工及運(yùn)行期間存在巖溶水的滲漏補(bǔ)給，估計(jì)涌水量較大，可能存在涌泥現(xiàn)象，地下水排泄、補(bǔ)給條件復(fù)雜.

2 方案擬定

地下廠房區(qū)溶蝕裂隙與地表連通，具備降雨補(bǔ)給路徑.所以地下廠房洞室群防滲排水措施，將圍繞巖溶通道和降雨補(bǔ)給兩大特點(diǎn)，遵循“廠外堵排為主、廠內(nèi)排水為輔”的原則[2]，采用前堵后排的滲控措施.參考巖溶地區(qū)等地下廠房防滲處理措施[3-8]，擬布置灌漿帷幕、廠外排水幕和洞室內(nèi)排水孔3項(xiàng)措施.

(1)方案一:全封閉灌漿帷幕+全封閉排水孔+洞室內(nèi)排水孔

利用地下廠房四周排水廊道及洞頂灌漿廊道，進(jìn)行帷幕灌漿并布置排水孔，形成全封閉灌漿帷幕和全封閉排水孔幕，從而將地下廠房、主變洞與帷幕外地下水相對(duì)隔離.洞室群頂拱及邊墻設(shè)置排水孔，總排水方式為泵抽與自流結(jié)合.

廠區(qū)排水系統(tǒng)由洞室群四周的四層排水廊道、排水洞及廠外集水井等組成.其中排水廊道分別為頂層、上層、中層、下層排水廊道，底板高程分別為87.00 m、46.00 m、26.00 m和-4.50 m.典型布置(見圖1).

圖1 方案一(全封閉灌漿帷幕+全封閉排水孔+洞室內(nèi)排水孔)

(2)方案二:全封閉排水孔+洞室內(nèi)排水孔

與方案一相比，方案二在其基礎(chǔ)上不進(jìn)行任何帷幕灌漿，僅僅設(shè)置全封閉排水孔，其他措施同方案一.

3 仿真模擬計(jì)算模型及材料參數(shù)

通過建立整個(gè)工程區(qū)三維有限元模型(見圖2)，對(duì)地下廠房區(qū)進(jìn)行三維滲流場(chǎng)分析.對(duì)于地下廠房區(qū)域，除主要洞室和附屬洞室外，還模擬了四層排水廊道，全封閉帷幕(見圖3)和全封閉排水孔幕(見圖4).另外考慮到斷層對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響[7]，對(duì)地下廠房區(qū)域涌水或涌泥較多的主要斷層進(jìn)行了較為細(xì)致的模擬，如f29、F33、f38、F45、f99.

圖2 句容抽水蓄能電站三維有限元網(wǎng)格側(cè)視圖

圖3 地下廠區(qū)防滲帷幕示意圖

圖4 整體模型排水孔幕示意圖

計(jì)算模型中的邊界條件分別為：模型東西邊界地下水位根據(jù)實(shí)測(cè)鉆孔值外推求得；上、下庫庫盆內(nèi)水位按不同蓄水位確定；南北側(cè)和水平底面都取為隔水邊界；通風(fēng)兼安全洞和進(jìn)廠交通洞處理為隔水邊界；排水孔及排水廊道初始值均處理為逸出邊界；巖溶裂隙發(fā)育帶處理為可能逸出邊界.采用改進(jìn)排水子結(jié)構(gòu)法[8-9]來模擬排水孔的滲流行為.

本次計(jì)算中所涉及的各種材料的滲透系數(shù)根據(jù)水文地質(zhì)資料和參考類似工程而定[9-11]，具體(見表1).

4 方案比較

由于廠區(qū)滲水主要來源于巖石裂隙水以及大氣降雨.在不考慮大氣降雨時(shí)，廠區(qū)滲水主要源于巖石裂隙水，而考慮大氣降雨時(shí)，降雨入滲成為滲水主要來源.接下來就是否考慮降雨入滲兩種情況，對(duì)兩種方案在上庫正常蓄水位267.0 m，下庫死水位65.0 m時(shí)的滲控效果進(jìn)行比較分析.

(1)不考慮降雨入滲

對(duì)于方案一，圖5為方案一高程26 m處平切面水頭等值線分布圖，圖6為方案一廠房橫剖面水頭等值線分布圖，圖7為方案一廠房縱剖面水頭等值線分布圖.

表1 工程區(qū)各材料滲透系數(shù) 單位:cm/s

圖5 方案一高程為26 m處平切面水頭等值線分布圖(m)

圖6 方案一廠房橫剖面水頭等值線分布圖

圖7 方案一廠房縱剖面水頭等值線分布圖

由圖5～7可知，(1)在遠(yuǎn)離廠房區(qū)域，自由面由兩邊向廠房處逐漸下降，且水頭等勢(shì)線分布稀疏，降落較為平緩.而在廠房部位，自由面下降較快，等勢(shì)線分布較密集.這表明，在排水減壓措施的作用下，廠區(qū)地下水被快速排走，水頭下降.(2)由于廠區(qū)二大洞室開挖，廠區(qū)附近巖體中的地下水向廠區(qū)開挖洞室匯水，受引水豎井前方強(qiáng)導(dǎo)水性斷層F113的影響，自由面發(fā)生跌落.主副廠房上游側(cè)逸出點(diǎn)都位于廠房底部，而由于廠房底部巖體水流繞滲，下游側(cè)逸出點(diǎn)高程較高，但均低于廠房母線層高程20.00 m，不會(huì)危及發(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行；主變洞和出線豎井均處于自由面以上.(3)水流在遇到帷幕后，近乎呈垂直下降趨勢(shì)，同時(shí)下層排水廊道被淹沒.因此在實(shí)際運(yùn)行中，需及時(shí)將下層排水廊道

中的積水排走.

對(duì)于方案二，將防滲帷幕的滲透系數(shù)設(shè)置為與基巖相同時(shí)，等同于帷幕失效.圖8為方案二廠房橫剖面水頭等值線分布圖.圖9為方案二廠房縱剖面水頭等值線分布圖.

圖8 方案二廠房橫剖面水頭等值線分布圖

圖9 方案二廠房縱剖面水頭等值線

結(jié)合以上分析可知,廠區(qū)以及廠區(qū)上游側(cè)水頭等值線分布規(guī)律與方案一基本一致.廠房下游側(cè)自由面在遇到帷幕之前呈均勻下降的趨勢(shì).盡管防滲帷幕沒有起作用，但是在廠區(qū)下游側(cè)排水孔的作用下，下游來水得到了很好的控制，廠區(qū)大部分巖體處于滲流疏干區(qū).說明僅設(shè)置全封閉排水孔時(shí)，在保證排水孔以及排水廊道排水暢通的前提下，廠區(qū)滲透水依然能夠被阻排在外，不會(huì)危及廠房安全運(yùn)行.

(2)考慮降雨入滲

對(duì)于方案一，考慮降雨入滲等同于遭遇暴雨工況.在該工況下，廠區(qū)外圍防滲帷幕及排水設(shè)施發(fā)揮了巨大作用，有效的將雨水阻隔在廠區(qū)外圍，但是底部繞滲現(xiàn)象明顯，這是造成主變洞及廠房位置處自由面出滲位置較高的主要原因(見圖10).

圖10 降雨量為200 mm/d時(shí)，方案一廠房橫剖面水頭等值線圖

對(duì)于方案二，由圖10廠房橫剖面水頭等值線圖可知，遭遇暴雨時(shí)在設(shè)置全封閉帷幕的情況下主副廠房洞和主變洞頂水頭尚且超過100 m.如果取消帷幕，那么在超過100 m的高水頭作用下，光靠排水孔幕難以完全將入滲水排干，而且地表水將通過巖溶通道進(jìn)入廠房，造成頂拱漏水，嚴(yán)重影響廠房運(yùn)行.

5 結(jié) 論

在無降雨入滲的情況下，方案一和方案二都可以滿足廠房對(duì)防滲排水的要求；而在考慮降雨入滲時(shí)，全封閉灌漿帷幕將在阻攔滲水方面發(fā)揮重要作用.廠區(qū)節(jié)理及溶蝕裂隙發(fā)育，對(duì)主副廠房及主變洞洞周進(jìn)行帷幕灌漿，一方面漿液充滿節(jié)理裂隙，形成阻隔巖石裂隙水的帷幕，另一方面，在壓力作用下漿液順著溶蝕裂隙不斷延伸，對(duì)巖溶通道進(jìn)行封閉，從而直接截?cái)嗔说乇硭M(jìn)入廠房的快速通道.考慮到帷幕灌漿對(duì)于阻隔巖石裂隙水和封閉巖溶通道的作用，采用方案一(全封閉灌漿帷幕+全封閉排水孔+洞室內(nèi)排水孔)作為句容抽蓄地下廠房防滲排水措施.

[1] 劉建剛,彭漢興,汪紹文.句容抽水蓄能電站預(yù)可行研究階段巖溶水文地質(zhì)專題研究報(bào)告[R].河海大學(xué)土木工程學(xué)院地質(zhì)及巖土工程系，2004.

[2] 王 鋒，朱岳明.地下廠房洞群圍巖滲流場(chǎng)有限元分析[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào),2002(3):49-52.

[3] 馬顯光.魯布革水電站地下廠房巖溶防滲處理[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2004(12):292-296.

[4] 盛金昌,詹美禮，張春生,等.泰安抽水蓄能電站滲控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].水電能源科學(xué),2002(2):26-29.

[5] 雷輝光.構(gòu)皮灘水電站地下廠房滲流分析及滲控設(shè)計(jì)[D].西安：西安理工大學(xué)，2006.

[6] 趙曉峰,范湘蓉,佘鴻翔，等.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)[J].水電站設(shè)計(jì),2011(4):18-22.

[7] 王 博,劉耀煒,孫小龍，等.斷層對(duì)地下水滲流場(chǎng)特征影響的數(shù)值模擬[J].地震,2008(3):115-124.

[8] 呂高峰,朱錦杰,王玉潔.覆蓋層內(nèi)防滲墻應(yīng)力變形影響因素敏感性分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2016,28(1):46-51.

[9] 朱岳明,陳振雷,吳 愔，等.改進(jìn)排水子結(jié)構(gòu)法求解地下廠房洞室群區(qū)的復(fù)雜滲流場(chǎng)[J].水利學(xué)報(bào),1996(9):79-85.

[10] 金 文.聚羧酸高效減水劑品種對(duì)混凝土滲透性影響研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,27(4):65-68.

[11] 任涵璐,劉斯宏,姜忠見，等.洪屏抽水蓄能電站上水庫庫盆三維復(fù)雜滲流場(chǎng)研究[J].水力發(fā)電，2012,38(12):19-21.

Seepage Control and Drainage Design of Underground Powerhouse Based on 3-D Seepage Analogue Simulation

YAO Xin-gang, HU Zheng-kai

(Powerchina Huadong Engineering Co. Ltd., Hangzhou 310014, China)

The possibility of karst water leakage exists in underground powerhouse region of Jurong Pumped Storage Power Station, especially during the period of storm rainfall. Seepage control schemes were estimated by 3-D seepage analogue simulation of underground powerhouse complex, and different seepage control measures were compared, finally the scheme of close anti-seepage curtain wall and close drainage holes was adopted as the seepage control measures.

Jurong Pumped Storage Power Station; underground powerhouse; 3-D seepage field; anti-seepage curtain wall

2016-03-28

姚新剛(1984-)，男，江西新干人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈叵聫S房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

TV731

A

1008-536X(2016)06-0041-05