黄金坪水电站左岸地下厂房渗控排水设计

罗 维 薇，　王 秀 全

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)



黄金坪水电站左岸地下厂房渗控排水设计

罗 维 薇，王 秀 全

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：渗流控制是地下厂房设计的重要内容，黄金坪水电站地下厂房运行期渗流主要考虑调压室及压力管道内水外渗以及地下水的影响。结合水文地质条件和地下厂房洞室布置，进行了地下厂房渗控排水设计，运用三维有限元对渗流场和渗流量进行了分析计算。成果分析表明:通过布设排水廊道和排水孔，地下厂房洞室群的浸润线明显下降，三大洞室顶拱及大部分边墙位于浸润线以上有利于洞室稳定；厂区洞室在未设防渗帷幕的情况下总渗流量满足设计要求。

关键词：黄金坪水电站；地下厂房；渗控排水设计

1概述

黄金坪水电站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水电规划“三库22级”中的第11级电站。水库正常蓄水位高程为1 476 m、相应水库库容为1.28亿m3，电站总装机容量850 MW，多年平均年发电量38.61亿kW·h。电站采用水库大坝和“一站两厂”的混合式开发，枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝、1条岸边溢洪道、1条泄洪(放空)洞、左岸大厂房引水发电建筑物和右岸小厂房引水发电建筑物等组成。

左岸大厂房布置采用地下“尾部式”，引水发电系统由进水口、引水隧洞、调压室、压力管道、地下厂房、主变室、尾闸室和尾水隧洞组成。厂房三大洞室平行布置，主变室布置于厂房和尾闸室之间。主机间、副厂房和安装间按“一”字型布置，总长度为204.3 m，宽25.5 m，高67.3 m。主变室总长度为148.8 m，宽度为17.8 m，高度为33.25 m。尾闸室长108 m，跨度8 m，高58.8 m。

厂房水平埋深245～450 m，垂直埋深320～430 m，地下厂房系统岩性以晋宁～澄江期斜长花岗岩(γ02(4))及石英闪长岩(δ02(3))为主，穿插有花岗闪长～角闪斜长岩质混染岩。厂区无大规模的断层、构造带和软弱岩带分布，岩体主要结构面为次级小断层、挤压破碎带和节理裂隙且破碎带宽度较小；厂房区岩体新鲜坚硬，较完整～局部完整性差，多呈次块状或镶嵌状结构，以Ⅲ类围岩为主，成洞条件较好。厂址区边坡岩体强卸荷水平厂址区除断层带具一定透水性外，陡倾裂隙一般透水性较弱，地下水属基岩裂隙水。由于河谷深切、岸坡陡峻、地表水入渗困难、补给水源有限、岸坡排泄条件良好，因此地下水位埋藏较深，总体上为地下水补给河水且地下水补给来源具有季节性特点。地下厂房各洞室底板高程较低，多在天然河水位高程以下，两岸地下水位均高于厂房机组安装高程。主厂房第一层开挖揭示洞壁整体干燥。深度为28 m，弱卸荷水平深度为105 m，0～190 m岩石呈弱风化。

2渗控排水设计

2.1渗控排水的设计思路

在地下厂房设计中，地下水渗流量的大小、渗控措施是否得当直接关系到厂房设计的经济合理和安全运行。参考相关工程经验，“首部式”地下厂房因靠近坝址布置，地下水来源为水库渗水，厂区渗控措施常结合坝基防渗设置灌浆帷幕和排水幕。“尾部式”地下厂房由于其远离库区，天然地下水位通常较低，厂区渗控方案中常常不设灌浆帷幕，只设厂区排水幕。黄金坪水电站地下厂房为“尾部式”，按常规可考虑不设置灌浆帷幕，但由于调压室距主厂房较近，两洞室净距仅115 m，且压力管道上段采用钢筋混凝土衬砌，衬砌钢筋混凝土按限裂标准设计；另外，在压力管道施工平洞和主厂房上游墙的开挖过程中，发生过洞室垮塌的情况，说明局部存在的断层、裂隙对岩体质量有影响，也有利于地下水发育，因此在厂区渗控方案设计中开展了三维有限元渗流分析，对渗流量进行了计算，对设置帷幕防渗效果进行了评价，进而为排水方案的设计提供了技术支持。

2.2厂区渗控排水系统布置

图1　黄金坪水电站左岸地下厂房平面布置图

该厂区排水自成系统，在厂房及主变室附近设置了3层平面上呈半封闭型式布置的排水廊道，廊道内设排水孔，将厂房和主变室笼罩在排水孔幕内以有效排除地下水，减轻洞室围岩的外水压力，提高地下厂房洞室群的围岩稳定性，确保厂房系统的安全运行。厂房及排水廊道见图1、2。 第一层排水 廊 道 底 板 高 程 为1 438.8～

1 429.35 m，位于主厂房上游边墙25.15 m处，与厂房纵轴线平行；排水廊道在安装间端头向右延伸50 m，在副厂房端头向左延伸60 m，转弯至主变室下游与进风洞连接，平面上呈半封闭布置。第二层排水廊道底板高程为1 413～1 409.2 m，廊道平面位置与第一层排水廊道对应，在安装间端头向右延伸10 m通过交通联系洞与进厂交通洞相接，在副厂房端头向左延伸60 m，转弯至主变室，平面上呈半封闭布置。第三层排水廊道底板高程为1 381.54～1 381.1 m，平面上与上面两层排水廊道对应，廊道内的渗漏水排至主厂房渗漏集水井。三层排水廊道断面尺寸均为2.5 m×3 m(宽×高)。排水孔设在排水廊道下游侧，若有必要，可在排水廊道上游侧进行帷幕灌浆，形成灌浆帷幕。

2.3厂内排水系统布置

在厂房顶拱及边墙、主变室顶拱及边墙等部位布设排水孔，排水孔间排距为3 m，孔径为50 mm，深4～6 m，各部位的渗漏水经排水沟和预埋管道流入渗漏集水井。

3三维有限元渗流分析

3.1计算模型

图2　黄金坪水电站地下厂房纵剖面布置图

地下厂房渗流场按等效连续介质模型采用ADINA软件进行分析。模型的上游断面取至调压室的上游边壁以上50 m，下游断面取至距尾闸室下游边壁的下游145.4 m处，向左取至距厂房左边墙100 m处，向右取至距副厂房右边壁114.55 m处，向下取至高程1 300 m处，向上 取 至 高 程

1 500 m处，所建立的计算模型见图3，整体模型尺寸为465 m×450 m×200 m。模型单元网格统一按照5 m长度划分，局部洞口进行加密，总计106万个单元，18万个节点。

洞室的内排水包括厂房、主变室、尾水支洞、尾水主洞、洞壁或井壁等均设为可渗出边界。在模型周围加上与地下水位相同高程的水头来模拟地下水位对整个渗流场的影响。在调压室边壁和压力管道内施加相应工况的水头边界。

图3　三维有限元计算模型示意图

3.2计算参数

模型中各种介质材料的渗透系数见表1。

3.3 计算工况及方案

重点对地下厂房运行期进行渗流分析，考虑了调压室正常水位和最高涌浪水位两种工况以及设排水未设帷幕和既设排水、又设帷幕两种方案的计算。计算工况及方案组合情况见表2。计算分析内容主要为渗控效果和渗流量；进行了材料渗透系数对地下厂房渗流量影响的敏感度分析，对渗流计算成果应用进行了评价。

表1　各介质渗透系数表

表2　计算工况及方案表

3.4计算成果分析

3.4.1渗透水头分析

图4、5为不同计算方案下地下厂房洞室群压力水头计算情况。

图4　方案1(未设置帷幕且在正常水位运行)y=89 m剖面厂房洞室群压力水头图

图5　方案2(设置帷幕且在正常水位运行)y=89 m部面厂房洞室群压力水头图

通过对图4、5(计算结果水头图)进行分析得知：四个方案的压力水头线分布相似，其中在最高涌浪水位工况下，各个位置的水头比正常水位工况均有所升高。以正常高水位工况进行分析，方案1、方案2压力水头图分别见图4、5。主厂房顶拱、母线洞、主变洞、闸室位于浸润线以上，主厂房上游墙拱肩以下、下游边墙母线洞以下部位处于浸润线以下。排水廊道及其排水孔起到了很好的排水作用；从压力水头等值线分布情况看，第一层廊道处较分散，排水效果一般，但等值线变陡，发挥了降压作用；第二层廊道处较密集，排水效果明显；第三层排水廊道处非常密集，排水效果较为显著。主厂房上游墙承担有较高的压力水头，通过排水孔的排水减压，下游边墙浸润线明显下降。设置防渗帷幕后，帷幕与排水幕联合作用后等值线发生骤降，帷幕发挥了阻水防渗作用。对比设置排水未设帷幕方案与既设排水又设置帷幕方案的压力等值线图，设置帷幕对降低厂房洞室群浸润线水头不明显(图4、5)。 3.4.2渗流量计算分析

渗流计算结果表明：各计算方案的总渗流量均小于设计限值400 m3/h；设置防渗帷幕后，厂房渗流量减小，计算成果见表3。

表3　各计算方案渗流总量表

3.4.3渗流量敏感度分析

在方案1的基础上，对岩体和调压室衬砌渗透系数、帷幕、廊道排水孔及三大洞室等效排水层渗透特性变化对厂房渗流量敏感度进行计算，其成果见表4。

分析结果表明：厂房渗流量对岩石渗透系数变化的敏感度非常高，当岩石渗透系数为2×10-6m/s时，流量已经超过了设计限值400 m3/h。厂房渗流量对防渗帷幕的渗透系数变化和排水孔渗透系数变化的敏感度不高；厂房渗流量对等效排水层渗透系数变化的敏感度较高，随着等效排水层渗透系数的增加，厂区的流量呈增加趋势；当其增加到1×10-4m/s时，流量超过了规定的范围，但单位渗透系数内的单位时间总流量的变化率呈下降趋势。

表4　渗透系数及其对应地下厂房流量表

4结语

(1)黄金坪水电站左岸地下厂房采用“尾部式”布置，调压室和压力管道内水外渗是洞室群渗流控制的主要问题。通过采取合理有效的排水措施，地下厂房洞室群区域浸润线明显下降，三大洞室顶拱及大部分边墙位于浸润线以上，排水系统的减压效果明显。

(2) 在未设置灌浆帷幕的情况下，通过对调压室及压力管道进行衬砌、厂区设置排水廊道、洞室设排水孔等渗控措施，厂区的总渗流量可以满足设计要求。

(3)厂区设置防渗帷幕能够减小厂房的渗水量，但对降低浸润线水头作用不明显。

(4)围岩的渗透系数对厂房渗流量影响大，若运行期进入厂房的渗流量超过设计要求，可以考虑在排水廊道内进行帷幕灌浆，当前布置的排水廊道具备实施条件。

(5)尽管主厂房顶拱、主变室及尾闸室上部边墙及顶拱位于浸润线以上，但从有利于洞室稳定性考虑，仍需设置排水措施，以排除降雨时的渗入水。

(责任编辑：李燕辉)

罗维薇(1965-)，女，贵州黔南人，高级工程师，学士，从事水电站水工结构设计工作；

王秀全(1967-)，男，吉林白城人，高级工程师，学士，从事水电工程设计工作.

Water Seepage Control and Drainage Design for Underground Powerhouse at Left Bank of Huangjinping Hydropower Station

LUO WeiweiWANG Xiuquan

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu , Sichuan, 610072,China)

Abstract:Seepage control is important in underground powerhouse design. Water leakage is concerned with water seepage of surge chamber and penstock from inside to outside and the impact of groundwater during operation of underground powerhouse at Huangjinping hydropower station. Combining with hydrogeological conditions and layout of underground caverns, the seepage control and drainage of underground powerhouse are designed. The seepage field and seepage flow are analyzed by three-dimensional finite element method. The results show that the seepage line decreases significantly because of drainage gallery and drainage holes. The crown and main part of the sidewalls of the three main caverns are above the seepage line. Without the waterproof curtain, the seepage flow of the underground caverns meets the design requirements.

Key words:Huangjinping hydropower station; underground powerhouse; water seepage control and drainage design

作者简介:

文章编号:1001-2184(2016)02-0046-05

文献标识码:B

中图分类号:TV7;TV554;TV22;TV731.6

收稿日期:2015-12-31