白鶴灘水電站地下廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)設(shè)計

補約依呷，洪佳敏，高 勇

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概況及基本地質(zhì)條件

1.1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游第二梯級電站，電站裝機容量為16 000 MW，建成后將成為僅次于三峽工程的世界第二大水電站。水庫正常蓄水位825 m，總庫容約206.27億m3。

白鶴灘水電站樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能設(shè)施、左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，電站樞紐布置如圖1所示。混凝土雙曲拱壩最大壩高289 m，左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)呈基本對稱布置，地下廠房采用首部開發(fā)方式，兩岸各布置8臺單機容量為1 000 MW的水輪發(fā)電機組。地下廠房洞室群位于壩肩上游兩岸山體內(nèi)，包括主副廠房洞、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞等，工程規(guī)模巨大。左岸地下廠房垂直埋深約260～330 m，水平埋深約800～1 050 m；右岸地下廠房垂直埋深約420～540 m，水平埋深約480～800 m。主副廠房洞開挖尺寸為438.0 m×34.0 m×88.7 m（長×寬×高），主變洞開挖尺寸為368.0 m×21.0 m×39.5 m（長×寬×高）。

圖1 白鶴灘水電站樞紐及滲控系統(tǒng)平面布置圖Fig.1 Layout plan of Baihetan hydropower station and its seepage control system

1.2 基本地質(zhì)條件及巖體滲透特性

白鶴灘水電站廠壩區(qū)主要出露二疊系上統(tǒng)峨眉山組（P2β）玄武巖，右岸坡頂出露三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組砂巖、泥巖，第四系松散堆積物主要分布于河床及兩岸緩坡臺地上。峨眉山組（P2β）玄武巖共劃分為11 個巖流層，每一個巖流層自下而上一般為熔巖、角礫熔巖、凝灰?guī)r。熔巖主要為斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、少量微晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖。隱晶質(zhì)玄武巖中發(fā)育柱狀節(jié)理的稱為柱狀節(jié)理玄武巖。巖層為單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀N35°～55°E，SE∠15°～18°，緩傾上游偏右岸。

廠壩區(qū)玄武巖發(fā)育層間錯動帶，層間錯動帶產(chǎn)狀與巖流層產(chǎn)狀一致。11 個巖流層除第一巖流層頂部無凝灰?guī)r外，其余10 個巖流層頂部凝灰?guī)r均有不同程度的構(gòu)造錯動，其中層間錯動帶C2、C3、C4、C5對地下廠區(qū)洞室影響較大，C2斜切左岸主副廠房洞，C3斜切右岸主副廠房洞，C4、C5位于右岸主副廠房洞頂拱及上部。層內(nèi)錯動帶在玄武巖各巖流層內(nèi)順層發(fā)育，層內(nèi)錯動帶的發(fā)育規(guī)模、分布、性狀等具隨機性。廠區(qū)主要發(fā)育有規(guī)模較大的斷層F13、F14、F16、F18。

巖體的透水性與結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度有關(guān)，層間錯動帶水平貫通性好，沿層面方向的滲透性較大，但由于錯動泥化作用，垂直層面方向滲透性明顯比水平向小很多，起到了相對隔水層的作用。根據(jù)左右岸廠區(qū)巖體的滲透特性，結(jié)合天然滲流場反演分析，按照巖性、構(gòu)造、風化卸荷及埋深情況等將廠壩區(qū)巖體大致分成11 個滲透分區(qū)，各滲透分區(qū)的主滲透系數(shù)取值見表1。

表1 巖體滲透分區(qū)及滲透系數(shù)取值表Table 1 Seepage division and seepage coefficient of rock mass

雖然白鶴灘水電站地下廠區(qū)厚層狀玄武巖的滲透性總體較小，但斷層，層間、層內(nèi)錯動帶，擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體裂隙滲漏問題不容忽視，需要對地下滲流場進行深入研究，并在此基礎(chǔ)上確定合適的廠區(qū)滲控布置方案。

2 防滲排水系統(tǒng)設(shè)計原則

白鶴灘水電站左右岸地下廠房均采用首部開發(fā)方式，位于壩肩上游左右岸山體內(nèi)，水平埋深480～1 050 m。地下廠房不僅靠近壩址，而且距離水庫也較近，加上廠壩區(qū)水文地質(zhì)條件比較復雜，廠區(qū)發(fā)育軟弱層間錯動帶連通庫區(qū)。因此，綜合考慮白鶴灘水電站的規(guī)模和重要性，參照類似工程防滲排水系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，地下廠區(qū)應設(shè)置防滲排水系統(tǒng)，且應與大壩防滲排水系統(tǒng)結(jié)合布置形成整體，采取“廠區(qū)與大壩防滲排水系統(tǒng)結(jié)合布置，先防后排、防排結(jié)合、高水自流、底水抽排、安全可靠、留有余地”的滲控設(shè)計原則，以有效降低廠區(qū)地下水位及滲透壓力，減小或基本消除洞頂和洞壁的地下水壓力，提高洞室圍巖的穩(wěn)定性[2]。

3 三維有限元滲控計算分析

3.1 滲控布置方案

白鶴灘水電站廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)平面布置如圖1 所示。采用廠壩帷幕相連半包圍廠房的布置方案，北側(cè)與大壩壩肩防排系統(tǒng)連接，南側(cè)折向山體內(nèi)一定長度半包廠房。

立面上，廠區(qū)防滲帷幕布置在引水豎井（鋼襯）上游側(cè)。根據(jù)向上高于庫水位、向下低于引水洞下平段的布置原則，防滲帷幕初擬從高程約820 m延伸至550 m，布置2排孔，排距1.5 m，孔距2 m，總深度約270 m。排水孔幕布置在防滲帷幕下游引水豎井（鋼襯）與廠房上游邊墻之間，設(shè)1排排水孔幕。

擬定廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)平面和立面的布置方式后，最關(guān)鍵的是確定防滲帷幕平面上的長度和排水孔幕的間距，而防滲帷幕的長度取決于南端折向山體內(nèi)的延伸長度。

3.2 滲控計算方案

為確定合理的帷幕長度和排水孔幕間距，擬定以下滲控計算方案。

3.2.1 帷幕長度比較

廠區(qū)防滲帷幕北端與壩區(qū)防滲帷幕相連，南端折向山體內(nèi)一定長度以半封閉式圍繞廠房洞室群布置。擬定方案1～4進行計算，帷幕折向山體長度分別為265 m、365 m、165 m 和65 m，排水孔幕間距均取3 m。

3.2.2 排水孔幕間距比較

擬定方案1～2進行計算，排水孔間距分別為3.0 m、4.5 m，帷幕折向山體長度均取265 m。

3.3 有限元計算模型

左右岸廠區(qū)滲流控制計算時，巖體、裂隙等滲透介質(zhì)按等效連續(xù)各向異性介質(zhì)進行處理分析，排水孔幕采用各向異性多孔介質(zhì)的密集排水孔模擬方法。根據(jù)地形地貌、工程地質(zhì)條件、樞紐布置等基本資料，沿金沙江河床中心線左右分開，分別建立左、右岸三維有限元模型，見圖2～3。

圖2 樞紐區(qū)左岸三維有限元模型Fig.2 The three-dimensional finite element model of left bank

圖3 樞紐區(qū)右岸三維有限元模型Fig.3 The three-dimensional finite element model of right bank

模型上游斷面沿河床中心線取至距壩軸線約1 650 m，下游斷面沿河床中心線取至距壩軸線約2 100 m，左岸斷面取至距河床中心線約1 800 m，右岸斷面取至距河床中心線約1 500 m，模型底面取至高程0.000 m，向上一直取至地表面。

模型對樞紐區(qū)各地層（巖流層P2β1～P2β11）、控制性結(jié)構(gòu)面（斷層F14、F16、F17，層間錯動帶C2、C3、C4、C5，層內(nèi)錯動帶 LS331～LS337、RS3318）和水工結(jié)構(gòu)均進行了模擬，其中水工結(jié)構(gòu)包括拱壩、主副廠房洞、主變洞、尾水調(diào)壓室、灌漿廊道、排水廊道、引水隧洞、泄洪洞、導流洞和尾水隧洞等主要地下洞室。

3.4 滲控計算邊界條件及參數(shù)

白鶴灘水電站地下廠區(qū)滲流場計算的邊界條件為：左右岸截取邊界為定水頭邊界，水頭值通過天然滲流場反演分析計算確定；大壩上游庫水淹沒區(qū)域取定水頭邊界，水頭值為正常蓄水位825.00 m；大壩下游河道取定水頭邊界，水頭值為601.50 m（對應滿發(fā)工況）；底邊界均為隔水邊界；高于庫水位（上游側(cè)）和下游水位（下游側(cè)）的地表設(shè)為可出滲邊界；河床中心線邊界設(shè)為不透水邊界；引水壓力管道按不透水邊界計算；其他地下洞室壁面按透水邊界計算。各巖層、結(jié)構(gòu)面及防滲帷幕的滲透系數(shù)取值見表1。

3.5 計算結(jié)果分析

3.5.1 帷幕長度滲控計算結(jié)果

正常蓄水位條件下，左右岸主副廠房洞縱剖面4 個滲控方案的滲流場計算結(jié)果如圖4～5 所示，地下廠區(qū)滲流量計算結(jié)果見表2。

圖4 正常蓄水位條件下左岸主副廠房洞縱剖面滲流場分布圖Fig. 4 Longitudinal seepage field of main and auxiliary powerhouse tunnels on left bank under normal water level

由圖4～5可見，4個滲控方案中，在主副廠房洞中部及北側(cè)的地下水位都得到了很好的控制，地下水位均降到主廠房頂拱以下，說明廠壩帷幕結(jié)合的防滲方式效果較好。主副廠房洞南端位置的滲流場有明顯差別，說明轉(zhuǎn)向帷幕的長度對主副廠房洞南側(cè)的影響較大。轉(zhuǎn)向帷幕越長，主副廠房洞南側(cè)的地下水位越低，南側(cè)端墻的滲透壓力也越小。轉(zhuǎn)向帷幕縮短后，地下廠房南端的地下水位有明顯的升高。當帷幕排水孔幕縮短100 m時，主副廠房洞南端有部分洞室頂部處于地下水位線以下，當帷幕排水孔幕縮短200 m時，主副廠房洞南端洞室頂部的地下水位升高幅度更大。

從表2 中也可以看出，南端轉(zhuǎn)向帷幕越長，廠區(qū)滲漏量越小。

表2 地下廠區(qū)滲流量計算結(jié)果Table 2 Calculation results of seepage flow in powerhouse area

上述結(jié)果表明，左右岸地下廠區(qū)南端轉(zhuǎn)向帷幕長度不宜小于方案1中的長度（265 m）。

圖5 正常蓄水位條件下右岸主副廠房洞縱剖面滲流場分布圖Fig. 5 Longitudinal seepage field of main and auxiliary powerhouse tunnels on right bank under normal water level

3.5.2 排水孔幕間距滲控計算結(jié)果

左右岸地下廠區(qū)南端轉(zhuǎn)向帷幕長度以折向山體內(nèi)延伸265 m為基準進行計算，排水系統(tǒng)排水孔間距從3.0 m（方案1）增大到4.5 m（方案2）后，由于廠區(qū)排水系統(tǒng)的減弱，地下廠區(qū)周邊的地下水位有一定的升高。左岸主副廠房洞的南端位于地下水位以下（見圖6），右岸主副廠房洞的南端巖體地下水位也有一定幅度的抬高（見圖7）。

圖6 地下水位升高時左岸主副廠房洞縱剖面滲流場分布圖Fig. 6 Longitudinal seepage field of main and auxiliary powerhouse tunnels on left bank when groundwater level rises

圖7 地下水位升高時右岸主副廠房洞縱剖面滲流場分布圖Fig. 7 Longitudinal seepage field of main and auxiliary powerhouse tunnels on right bank when groundwater level rises

不同排水孔幕間距方案下滲流量的計算結(jié)果見表3。從表3可以看出，排水孔間距增大后，左右岸地下廠區(qū)的總滲流量與排水孔幕出滲流量均明顯減小，而洞室壁面出滲流量有所增大，不利于廠區(qū)洞室群的運行。

表3 不同排水孔幕間距方案下滲流量計算結(jié)果Table 3 Calculation results of seepage flow in schemes with different drainage hole spacing

根據(jù)計算結(jié)果，排水孔間距宜按3.0 m設(shè)計，實際實施中可視巖壁滲水情況，按“滲水大，多布孔；滲水小，少布孔”的原則，在巖壁上布設(shè)排水孔。

4 地下廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)設(shè)計

白鶴灘左右岸地下廠區(qū)三維有限元滲控計算結(jié)果表明：廠壩帷幕結(jié)合的防滲方式效果較好，左右岸地下廠區(qū)南端帷幕折入山體長度不宜小于265 m，排水孔間距宜采用3.0 m。據(jù)此，結(jié)合左右岸廠區(qū)地質(zhì)條件、廠引發(fā)電系統(tǒng)洞室群布置方案和類似工程經(jīng)驗，綜合考慮確定了白鶴灘地下廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)設(shè)計方案。

4.1 防滲帷幕設(shè)計方案

白鶴灘水電站地下廠區(qū)防滲帷幕采用廠壩帷幕相連接并半包圍廠房的布置方案，左右岸廠區(qū)防滲帷幕北端與大壩帷幕相接，南端帷幕折向山體并穿過連通庫區(qū)的3號公路和4號公路封堵體各60 m，折向山體延伸長度達400 m。立面上（如圖8 所示），廠區(qū)防滲帷幕布置在引水豎井（鋼襯）上游側(cè)，距離地下廠房上游邊墻86.5 m，高程825～590 m 共布置5 層灌漿廊道，將帷幕分成5 段進行施工，灌漿廊道開挖斷面4.0 m×4.5 m。防滲帷幕從高程825 m 延伸至引水下平洞底板以下高程550 m，布置2排，排距1.5 m，孔距2 m，總深度約275 m。

4.2 排水系統(tǒng)設(shè)計方案

白鶴灘水電站地下廠區(qū)排水系統(tǒng)布置在防滲帷幕下游引水豎井（鋼襯）與地下廠房之間，距離地下廠房上游邊墻30 m，高程825～555 m 共布置7 層排水廊道，其中第1層排水廊道與灌漿廊道合二為一布置，地下廠房頂拱以上的第2～4層排水廊道基本平行于灌漿廊道布置，第5～7層圍繞地下廠房和主變洞四周布置，排水廊道開挖斷面3.0 m×3.5 m。位于地下廠房上游的第2～7層排水廊道系統(tǒng)布置1排φ90排水孔，間距3 m，同時在地下廠房和主變洞四周第4～6層排水廊道中也系統(tǒng)布置1排φ90排水孔，間距3 m，盡量將防滲帷幕下游的地下水由排水孔和排水廊道引排，如圖8所示。地下廠房和主變洞巖壁上也系統(tǒng)布置φ65排水孔，L=5 m，間距4.5 m。

圖8 引水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面圖Fig.8 Longitudinal section of diversion and power generation system

4.3 主要滲漏通道處理

左右岸地下廠區(qū)洞室群主要受層間錯動帶C2、C3、C4、C5影響，這些層間錯動帶產(chǎn)狀基本與巖流層一致，總體上平直，局部略有起伏，厚度5～40 cm 不等。水庫正常蓄水位825 m，蓄水后水頭超過200 m。根據(jù)現(xiàn)場滲透變形試驗結(jié)果，層間錯動帶滲透系數(shù)在2.0×10-4～2.0×10-3cm/s 之間，臨界坡降僅2～3，在高水頭下可能沿層間錯動帶產(chǎn)生滲漏及滲透變形。雖然地下廠區(qū)防滲帷幕穿過上述層間錯動帶，但是灌漿對含泥巖屑型錯動帶的改造效果有限，為了保證地下廠區(qū)防滲體系的防滲效果，提高層間錯動帶的防滲能力和滲透穩(wěn)定性，防止形成集中滲漏通道，在防滲帷幕上游沿層間錯動帶布置專門的截滲洞，并加強洞周灌漿，設(shè)短帷幕與主防滲帷幕相連接。

左岸地下廠區(qū)層間錯動帶C2截滲洞平行布置于第6層灌漿廊道上游側(cè)10 m位置，基本平行于第6層灌漿廊道布置，距離地下廠房上游邊墻100 m。右岸地下廠區(qū)層間錯動帶C3、C4、C5截滲洞平行布置于廠區(qū)灌漿廊道上游側(cè)15 m 位置，距離地下廠房上游邊墻101.5 m。平面上，3條截滲洞主要布置在右岸主廠房所在范圍內(nèi)；立面上，3條截滲洞主要布置在壓力管道上平段和地下廠房基坑底板之間的范圍。

截滲洞斷面尺寸均為4 m×4.5 m，其布置形式如圖8 中C2截滲洞所示。截滲洞結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工順序如下：爆破開挖并噴錨支護→洞周襯砌混凝土澆筑→襯砌頂拱回填灌漿→洞周固結(jié)灌漿→底板加強帷幕和下游邊墻銜接帷幕鉆灌→二期回填混凝土澆筑并隨倉完成頂拱回填兼接觸灌漿→廠區(qū)防滲帷幕鉆灌。

5 結(jié)語

（1）白鶴灘水電站地下廠區(qū)厚層狀玄武巖的總體滲透性雖然較小，但斷層，層間、層內(nèi)錯動帶，擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體裂隙滲漏問題不容忽視。此外，白鶴灘水電站左右岸地下廠房均采用首部開發(fā)方式，地下廠房洞室群均位于壩肩上游庫區(qū)正常蓄水位（825 m）以下的玄武巖山體中，不僅靠近壩址，而且距離上游水庫較近。據(jù)此，綜合考慮白鶴灘水電站的規(guī)模和重要性，在地下廠房上游設(shè)置防滲排水系統(tǒng)并與大壩防滲排水系統(tǒng)相結(jié)合形成整體是必要的。

（2）根據(jù)本工程的水文地質(zhì)條件和地下廠區(qū)洞室群的布置特點，地下廠區(qū)采取“先防后排、防排結(jié)合、高水自流、底水抽排、安全可靠、留有余地”的滲控設(shè)計原則，首先在引水豎井（鋼襯）與上游水庫之間設(shè)置一道防滲帷幕，其次在引水豎井與下游地下廠房之間設(shè)置一道排水孔幕，最后在地下廠房、主變洞洞頂和四周設(shè)置系統(tǒng)排水孔幕。經(jīng)三維有限元滲控計算分析，結(jié)果顯示所采取的滲控措施具有良好的效果，有效降低了廠區(qū)地下水位及滲透壓力，減小或基本消除了洞頂和洞壁的地下水壓力，提高了洞室圍巖的穩(wěn)定性。

（3）左右岸地下廠區(qū)出露的層間錯動帶C2、C3、C4、C5滲透系數(shù)在2.0×10-4～2.0×10-3cm/s 之間，臨界坡降僅2～3，在高水頭下可能沿層間錯動帶產(chǎn)生滲漏及滲透變形，水庫蓄水后可能形成滲漏通道，是對地下廠房最不利的滲漏通道。結(jié)合各層間錯動帶工程特性分析研究結(jié)果，以及與地下廠房相對位置關(guān)系，對左岸地下廠區(qū)層間錯動帶C2和右岸地下廠區(qū)層間錯動帶C3、C4、C5沿防滲帷幕軸線上游布置截滲洞，以阻斷滲漏通道，該方法經(jīng)濟合理。