葉巴灘水電站地下廠房滲流分析影響研究

高 紅 濤， 代 輝

(1.西藏電建成勘院工程有限公司，四川 成都 610072；2.中國電力建設(shè)集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川白玉縣與西藏貢覺縣境內(nèi)的金沙江干流上，電站正常蓄水位2 889 m，相應庫容10.80億m3，調(diào)節(jié)庫容5.37億m3。電站裝機容量224萬kW。電站裝機容量為2 240 MW，年發(fā)電量(聯(lián)合運行)102.22億kWh。樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。根據(jù)《防洪標準》[1](GB50201-2014)及《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》[2](DL5180-2003)的有關(guān)規(guī)定本工程為一等大(1)型工程，擋水、泄水和引水發(fā)電等主要建筑物按1級建筑物設(shè)計，次要建筑物按3級建筑物設(shè)計。廠房按500 a一遇洪水設(shè)計，2 000 a一遇洪水校核；消能防沖建筑物按100 a一遇洪水設(shè)計。

葉巴灘地下廠房均布置在拱壩右壩肩以里約200 m的庫岸山體內(nèi)，廠房最小水平埋深約226 m，最小垂直埋深約220 m。廠區(qū)地質(zhì)條件復雜，斷層結(jié)構(gòu)面構(gòu)造發(fā)育，地應力高，設(shè)計難度較大。廠區(qū)斷層發(fā)育較多，廠房的設(shè)計非常關(guān)鍵，而廠區(qū)滲流分析是影響地下廠房安全穩(wěn)定的主要因素，只有研究和掌握滲流的規(guī)律，才能選擇合適的工程措施。

2 廠區(qū)滲流分析

裂隙巖體滲流比多孔介質(zhì)滲流復雜得多，按照目前的研究水平，巖體流的數(shù)學慣刑基本上可分為非連續(xù)介質(zhì)模型和連續(xù)介質(zhì)模型兩大類[3]，非連續(xù)介質(zhì)模型，一般均忽略巖塊的透水性，只考慮水在裂票中的涉流[4]，連續(xù)介質(zhì)模型，是把裂腺中的沙流轉(zhuǎn)化到整個巖體中去，其實質(zhì)是將裂醇巖體視為一種等效的各向異性均勻滲透的連續(xù)介質(zhì)體[5]，此外，也有一些學者提出了孔腺裂酸雙重介質(zhì)模型。本文只討論符合達四定律的連續(xù)介質(zhì)模型的計算分析和應用問題，

根據(jù)天然滲流場反演分析成果，針對運行期工況開展廠區(qū)滲流分布特性，并在排水孔幕間距和帷幕滲透特性敏感性分析的基礎(chǔ)上，對廠區(qū)三維滲流場進行分析，滲控措施進行研究，計算廠區(qū)整體滲漏流量，以及對防滲排水設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化分析，評價廠區(qū)各部位的滲透穩(wěn)定性。

2.1 計算工況

廠區(qū)三維滲流有限元計算分析只考慮水庫正常運行工況，即上游取正常蓄水位2 889 m，下游水位取2 720 m，引水隧洞的鋼襯部分取隔水邊界。

2.2 計算模型

2.2.1 三維建模

廠區(qū)三維有限元模型對主要的滲透分區(qū)進行了模擬，也對引水、輸水系統(tǒng)、廠房、廠區(qū)帷幕、廠房的排水廊道及其排水孔幕等工程結(jié)構(gòu)和防滲排水系統(tǒng)進行了模擬。模型采用六面體等參單元和部分退化的四面體單元剖分，共劃分單元173 742 8個，結(jié)點519 702個，廠區(qū)整體三維模型見圖1，廠區(qū)防滲帷幕三維模型如圖2所示，廠區(qū)排水帷幕布置見圖3:

圖1 廠區(qū)整體三維有限元模型

2.2.2 典型剖面選取

地下廠房的防滲排水系統(tǒng)十分復雜。根據(jù)三維模型圖，選取廠區(qū)5個典型剖面及1個平切面進行分析，其中平切面為廠區(qū)2 710 m高程平切面，廠區(qū)的典型剖面空間位置見圖4：

圖2 廠區(qū)防滲帷幕三維模型

圖3 廠區(qū)排水帷幕三維模型

圖4 廠區(qū)典型剖面位置示意圖

2.3 計算分析

2.3.1 典型剖面的水頭及平面水頭分布圖

典型剖面的水頭線(及自由面)和滲透坡降分別見圖5、圖6。2 710 m高程平切面水頭分布圖見圖7。

從圖5可以看出，防滲帷幕前的地下水位較高，自由面穿過帷幕及帷幕后排水時出現(xiàn)下降趨勢，防滲帷幕及帷幕后排水較好地阻止了地下水向廠房區(qū)域滲漏，自由面在主廠房底部上游側(cè)邊墻溢出。山體側(cè)地下水位穿過廠房排水孔幕時也迅速降低，并經(jīng)過主變室底部在主廠房底部下游側(cè)邊墻溢出。由于尾水調(diào)壓室布置于防滲帷幕與排水孔幕外側(cè)，因此，尾水調(diào)壓室完全淹沒在自由面下方。水頭等值線在廠區(qū)防滲帷幕上游側(cè)比較密集，在帷幕后排水孔幕下游側(cè)及地下洞室附近比較稀疏，說明總水頭在防滲排水系統(tǒng)的作用下顯著降低。從圖6可以看出，主廠房橫剖面處滲透坡降最大為20，位于防滲帷幕后的廠房排水孔幕底部，廠房圍巖滲透坡降較低。從圖7可以看出，總水頭等值線在廠區(qū)帷幕系統(tǒng)附近相對密集，而在排水孔幕后水頭等值線較為稀疏，說明總水頭在防滲排水系統(tǒng)作用下顯著降低。但總體而言，廠區(qū)的防滲排水措施對降低山體中較高的地下水的水頭發(fā)揮著強有力的作用，確保了地下廠房洞室群圍巖具有較低的水壓值。

圖5 正常運行工況下廠區(qū)C1-C1剖面自由面及水頭分布圖(單位：m)

圖6 正常運行工況下廠區(qū)C1-C1剖面滲透坡降矢量圖

圖7 正常運行工況下廠區(qū)2 710 m高程平切面水頭分布圖(單位：m)

2.3.2 滲漏量分析

在運行期工況下，右岸地下水流入各廠區(qū)排水廊道及洞室的滲漏量見表1。

表1 廠區(qū)各排水廊道滲漏流量表

注：表中所列滲漏量未考慮降雨等因素的影響。

從表1可見，廠區(qū)排水廊道的總滲漏量為11.85 L/s。廠房排水廊道的滲漏量主要集中在2 673 m排水廊道，為6.33 L/s，是廠區(qū)整體滲漏量的主要部分。地下洞室的滲漏量較少，主副廠房洞的滲漏量約為0.13 L/s；主變室的滲漏量較少，為0.28 L/s。

3 結(jié) 語

葉巴灘水電站地下廠房工程地質(zhì)條件復雜和工程防滲措施事關(guān)廠房安全，通過建立地下廠房三維整體模型，采用三維有限元分析法對滲流場進行計算。分析不同工況下地下廠房洞室群的滲流特性、帷幕及排水幕的滲流效果一級滲流量，計算結(jié)果表明，在目前設(shè)計的防滲排水體系的作用下，右岸地下水位流入廠區(qū)整個排水系統(tǒng)的流量較小，廠區(qū)整體防滲排水系統(tǒng)布置合理，計算結(jié)果合理，經(jīng)工程實踐證明工程措施合理。

通過工程實踐證明，先進的計算手段和工具在工程設(shè)計中的運用可靠性，必須結(jié)合工程實際條件，才能得出正確的計算成果，并在工程實踐起到技術(shù)指導作用，采取合理的工程措施，既保證工程的安全、可靠和經(jīng)濟性，同時避免走彎路，加快工程進度，節(jié)約工程造價，使工程效益最大化。