伊朗塔里干水利枢纽地下厂房防渗排水系统设计与研究.pdf

西北水 电 2 0 l 0年 第 4期 5 1 文章编号： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) o 4 o 0 5 1 0 4 伊朗 塔 里 干 水 利 枢 纽 地 下 厂 房 防 渗 排 水 系 统 设 计 与 研 究 田 利军 ( 中国水电顾 问集团西北勘测设计研究院， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 塔里干水利枢纽电站属库岸式地下厂房， 地下洞室数量较多， 结构多样， 工程区域地层岩性为砾岩夹砂岩， 岩体中构造不发育， 总体呈块状较完整。针对库岸式地下厂房蓄水后期地下水较丰富的特点 ， 参照已建类似工程 进行了三维渗流计算分析研究， 采用在洞室群外围与厂房顶分层设置防渗帷幕、 排水洞 ， 并在排水洞内设排水幕等 防渗排水系统。电站目前运行实践表明， 地下厂房防渗排水系统设计满足渗流控制要求 ， 是安全、 合理的。 关键词： 塔里干水利枢纽 ； t g下厂房； 防渗； 排水系统； 帷幕 中图分类号： T V 2 2 3 4 文献标识码 ： A De s i g n o f s e e p a g e c o nt r o l a nd dr a i na g e s ys t e m f o r u nde r g r ou nd po we r h o us e o f T a l e g h a n d a m & HP P p r o j e c t i n I r a n T I A N L i j u n ( H y d r o c h i n a X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ，C H E C C， X i h n 7 1 0 0 6 5 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： T al e g h a n D a mH P P p r o j e c t h a s a r e s e r v o i r b a n k t y p e u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e c o m pos e d o f m a n y c a v e r n s w i t h d i f f e r e n t s t rnc t u r e s T h e s t r a t a l i t h o l o g y i n t h e p r o j e c t a r e a i s s a n d s t o n e i n t e r c a l a t e d wit h c o n g l o m e r a t e ，d i s c o n t i n u i t i e s u n d e v e l o p e d ， a n d r o c k m ass b l o c k y an d i n t a c t i n g e n e r a1I n v i e w o f r i c h u n d e r g r o u n d wa t e r a t l a t e r s t a g e o f r e s e rvo i r i mpo u n d me n t ， 3 D s e e p a g e c alc u l a t i o n an d a n aly s i s W as m a d e as p e r e x i s t i n g s i m i l a r p r o j e c t s ， a n d i m p e r v i o u s c u r t a i n a n d d r ain age t u n n e l s w e r e p r o v i d e d i n l a y e r s o u t s i d e t h e g r o u p o f c a v e rns a n d o n t h e r o o f o f t h e po we r h o u s e T h e o p e r a t i o n o f t h e p l a n t p r o v e s t h a t t h e d e s i g n o f s e e p age c o n t r o l a n d drain age s y s t e m c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f s e e p ag e c o n t r o l ，a n d t h e s y s t e m i s s a f e an d r e a s o n a b l e Ke y w o r d s ： T ale g h a n d a m H P P p r o j e c t ； u n d e r gro u n d p o w e r h o u s e ； s e e p a g e c o n t r o l ； d r a i n a g e s y s t e m； c u rt a i n 0 前言 1 工程概况 塔里干水利枢纽工程为伊 朗伊斯兰共和国德黑 兰地 区水 组 织 遵 循 I C B ( I n t e ma t i o n a l C o m p e t i t i v e B i d d i n g ) 程序使用 F I D I C合 同条款开发建设 的设计 采购施 工 E P C ( E n g i n e e r i n g ，P r o c u r e m e n t a n d C o n s t r u c t i o n ) 交钥匙工程 。工程主要任务是控制和调节 T a l e g h a n河流地表径流 、 满足农业灌溉及市政生活供 水兼水力发电等。2 0 0 1年 1月 1 2日， 中国水利水电 建设集团公司( 简称 ： 中水公司) 与伊朗德黑兰水组织 签订 E P C总承包合 同， 由中国水电顾问集 团西北勘 测设计研究院承担工程全部勘测设计工作。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 5 - 2 8 作者简介： 田利军( 1 9 7 2 一) ， 男， 陕西省商洛市人， 高级工程师， 从事水利水 电工程设计工作 工程场 址位于 A L B O R Z山脉南 部东经 5 1 。 1 0 5 O 。 3 7 、 北纬 3 6 。 5 3 6 。 2 5 之间的塔里干山谷 ， 距 伊朗首都德黑兰约 1 3 5 k m， 可通过 1 0 0 k m长的塔 里干 一 加兹温高速公路抵达坝址 。 工程主要建筑物 由粘土心墙土石坝、 输水隧洞 、 地下发电厂房和溢洪道等组成 。其中， 土石坝设计 最大坝高 1 0 9 0 m， 坝顶高程 1 7 8 9 0 m， 正常蓄水 位1 7 8 0 0 m， 水库总库容 4 21 0 m 。地下厂房 内安装 2台单机容量为 8 9 MW 的发 电机组及 1条 D NI 8 0 0针 阀消能旁通供水 管。依照 中国规 范 水 利水电工程等级划分及洪水标准( S L 2 5 2 -2 0 0 0 ) ， 塔里干水利枢纽工 程为 等工程 ， 输水隧洞和库岸 式地下厂房按 2级建筑物设计。 塔里干水利枢纽工程的地下洞群包括： 地下厂房、 尾水调压室、 进厂交通竖井、 引水洞、 尾水洞 、 施工支洞 5 2 田利军 伊朗塔里干水利枢纽地下厂房防渗排水系统设计与研 究 及帷幕灌浆排水洞等， 枢纽工程的地下洞室不仅数量 较多而且结构多样、 体形复杂， 按地震烈度 9度设防。 工程所在区域的地层岩J 生 为下塔里干第三系砾岩 夹砂岩， 岩体中构造不发育， 总体属块状较完整的类 围岩。工程建成后， 所有地下洞室建筑物位于三面环 水的水库岸区半岛之内。水库蓄水后厂区地下水位普 遍提高， 将使地下厂房下部岩体长期处于地下水位以 下， 导致裂隙和软弱岩体软化， 从而降低岩体强度 ； 岩 体遇水后的软化特性是影响洞室稳定的主要因素， 为 保证洞室围岩的稳定， 减少渗漏水对地下洞室结构安 全及厂内电气设备正常运行的不利影响， 必须在厂房 洞室的四周合理设置防渗排水系统， 并永久封堵地质 探洞和施工支洞， 以防止地下水渗入厂区。 2 工程地质与水文地质条件 电站进水 口位于大坝上游 6 0 0 m左岸冲沟上游 侧缘 ， 地形上两侧为冲沟。地下厂房位于库 区岸边 约 2 0 0 m的基岩山梁 中， 三面环水 ， 参见图 1 地下厂 房平面布置图。引水洞 、 地下厂房 和尾水洞均位于 冲沟围限的山梁地段 ， 地层岩性为下塔里干第三系 、 砾岩夹砂岩， 岩体 中构造不发育， 厂址 区基岩整体呈 单斜构造 ， 岩层倾 向S E 1 7 1 。1 9 6 。 ， 倾 角 1 0 。1 6 。 ， 岩石透水性差 ， 总体属块状较完整的类围岩 ， 仅地 下厂房 洞室 顶拱 处受 到缓 倾 层 面裂 隙 B 1 ( 走 向 N W2 7 0 。 ， 倾向 S N， 倾角 1 3 。 ， 发育间距 0 51 0 m， 连续性好 ， 层面多起伏 、 粗糙 ) 和陡倾裂隙 J 1 ( 走向 N E 5 5 。 ， 倾向 N W， 倾角 8 0 。 ， 发育间距 24 m) 切割 属类围岩 ， 基岩裂 隙水埋藏较深。厂房区地下水 由大气降水和远山地下水补 给， 水量及空间规模不 大。依据钻孑 L 压水试验 ， 以及地下厂 区岩体 的渗透 性综合统计分析， 在水库达到正常蓄水位 1 7 8 0 m 高程时， 地下厂房运行期厂区岩体透水性在垂直方 向具有明显的分带特征。岩体的渗透性大致可分为 2个带 ： 即 1 7 8 01 7 2 7 m之问为弱 中等透水岩 带 ， 透水率 g=( 1 03 O )L u ， 相应 的渗透系数近似 为k=1 0 一1 0 c m s ； 1 7 2 7 1T I 高程以下为微弱透 水岩带 ， 透水率 q=( 1一l 0 )L u ， 相应的渗透系数近 似为 k= 1 0 1 0 一e m s 。 1图中足寸 ：蠢程 ， 坐标、桩号单位均为m： 2比例尺： 霄乏 5 ( m ) 图 1 地下厂房平面布置图 西北水 电 2 0 1 0年 第 4期 5 3 3 地下洞室群布置 地下厂 区洞室群总体布置为 ： 地下厂房纵轴线 方向呈 N W2 8 0 。 4 1 2 7 6 ” ， 与陡倾 角裂 隙成 4 0 。 5 0 。 夹角 ； 引水隧洞及压力钢管 主管轴线 的走 向呈 N E 1 7 7 。 1 3 2 7 ” ， 压力钢管采用 卜 形岔管平面弯 曲垂 直进入厂房 ； 地 下厂房最 大开挖 尺寸为 3 3 6 m X 1 3 6 m X 2 7 2 5 m( 长 宽 X高 ) ， 断面为近似城 门 洞形 ， 安装间位于主厂房左侧与发电机层同高程 ； 地 下厂房交通竖井布置在厂房左侧 ， 与厂房通过水平 廊道相接。竖井总高约 9 0 m， 水平断面形状成近似 椭圆形 。交通竖井采用全断面钢筋混凝土衬 砌 ， 衬 砌厚度 0 8 m； 尾水调压室为简单方筒式 ， 通过水平 交通廊道与主厂房相接 ， 交通廊道断面为城门洞形 。 4 防渗及排水布置设计 经过综合分析并参照已建类似工程 ， 塔里干水 利枢纽地下厂房防渗排水系统设计时采用堵 、 截 、 排 相结合的措施。因厂区排水 出 口高程较低 ， 而地下 厂房左岸山体的地下水位边界较高 ， 又紧挨着库区， 因此流态变化急剧 ， 水力 比降大。帷幕降低渗流压 力的作用很小， 渗流场水头分 布基本上受排水系统 控制。因此 ， 在地下洞室 中起 主要作用 的因素是排 水系统。由于地下 厂房周边岩体大部分完整 ， 渗透 性相对较弱， 灌浆起作用 的部位是在裂 隙发育 的岩 体和断层带 中， 帷幕效果虽然不大 ， 但鉴于厂房位置 紧靠水库， 故仍然设置地下厂房封闭帷幕防渗系统。 地下厂房系统排水设 计采用 “ 厂外排水为主 ， 厂 内 排水为辅” 的排水设计原则。地下排水布置为独立 的排水系统 ， 在洞室周围布置排水幕 ， 通过分层廊道 集 中排水 ， 减少地下水作用在围岩上的外水压力 ， 防 止地下水渗流进入建筑物 内。排水系统的效果 主要 取决于2 个因素： 廊道内排水孔的布置形式； 运行期 内对排水孔 的维护。在裂 隙岩体 中， 水流的 通道是在裂隙中， 每一条裂隙都是一条渗漏途径 ， 因 此 ， 很难使排水与各通道相交 ， 排水孔的数量 比它们 的直径更为重要 ， 廊道尺寸设计 应能满足施工及排 水孔设置的要求。对于厂 内防潮可 由厂房四壁 的防 潮隔墙与顶棚衔接 ， 形成厂内防潮体系。 4 1防渗布置 塔里干水利枢纽针对库岸式地下厂房蓄水后期 地下水较丰富的特点， 采用在洞室群外 围与厂房顶分 层设置防渗帷幕、 排水洞 ， 并在排水洞 内设排水幕。 防渗帷幕灌浆主要布置在地下厂房洞室的四周 ， 并尽 可能靠近防护区， 形成竖直环向帷幕与厂顶帷幕相连 接的闭合防渗帷幕， 参见图2帷幕排水示意图。为提 高帷幕的防渗质量 ， 竖向帷幕布置与铅直面保持 5 。 7 。 的倾角。帷幕深度约 3 0 3 5 m； 厂顶帷幕布置形状 图2 帷幕排水示意图 5 4 田利军 伊 朗塔里干水利枢纽地下厂房防渗排 水系统设计与研究 有如中心上凸的防渗盖， 与水平面成约4 0 。 4 5 。 交 角。竖向帷幕和厂顶帷幕的结构均采用单排帷幕形 式 ， 防渗帷幕灌浆孔距 2 0 m， 防渗帷幕厚度约 2 0 m。此外 ， 由于地下厂房洞室位于微弱透水层中( 渗 透系数 =1 0 。 1 0 e m s ) ， 透过或绕过防渗帷幕 的地下水仍对洞壁有浸渗作用和外水压力 ， 采取对周 边的围岩全部进行全断面固结灌浆。 4 2 排水布置 地下厂房外围设置排水幕体和洞室外围混凝土 衬砌设置排水导管排水相结合的综合排水方案。闭 合防渗帷幕后平行布置有排水孔组成的排水幕， 水平 方向设置 2条环向贯通的灌浆排水廊道 ， 廊道底板高 程分别为 1 7 3 4 0 m和 1 7 1 0 0 m， 环绕厂房洞室四 周 ， 每层总长约 1 4 0 m。在厂顶防渗帷幕下方设置了 一 层上倾封闭倾角 2 5 。 3 0 。 的排水孔 ， 排水孔孔径 0 8 01 1 0 m m， 孔距 3 m。排水孔与灌浆排水廊道组 成排水系统。排水幕均位于防渗帷幕下方和幕后 2 3 m处。为了进一步拦截排水幕后至厂房 间的渗 流， 在地下厂房的混凝土衬砌中设置了排水导管。透 过防渗帷幕的少量渗流水体被排水幕阻截并 由排水 廊道导入调压室和地下厂房内的渗漏集水井。 度 ， 不会发生渗透破坏 ； ( 2 )总体上衬砌结构上水压力不大， 作用在衬 砌结构的水压力最大值不超过 2 5 0 k P a ； ( 3 )渗流汇入厂房 的渗漏总量 ( 通过厂 房、 交 通竖井衬砌及上下层排水廊道的渗流量之和) 不 大， 基本方案计算的渗流量不超过 3 0 0 m d ； ( 4 )不同位置和不 同工况比较 ， 水头折减 系数 最大变化幅度为 0 3 5 0 3 9 ； ( 5 )帷幕失效对地下洞 室区域 的渗流影响不 大 ， 排水敏感性分析表明排水功效发挥程度对地下 洞室区域的渗流影响相对较大， 而排水功能正常是 保证衬砌结构安全与正常运行 的关健 因素 ； ( 6 )检修期尾水调压室水位降低对地下洞室区 域的渗流影响不大， 仅小幅度加大 了通过尾水调压 室衬砌的渗流量及其所受的渗流作用， 对抗渗稳定 性总体影响不大 ； ( 7 )岩体裂隙带和厂房外排水层渗透性能是影 响衬砌结构所受水压力及渗流量的主要因素。 经过对地下厂区二维渗流场、 三维渗流场 的有 限元渗流计算分析和深入研究 ， 塔里干水利枢纽地 下厂房防渗排水系统设计技术合理、 安全可靠 。 5 防渗没计与研究 6 结语 地下厂房区洞群处于水库 中的半岛之地下 ， 在 库水头的作用下 ， 形成 以排水廊道、 厂房集水井 、 调 压室等为逸出排水边界的渗流场， 该渗流场计算边 界条件复杂。为了准确了解洞群所在半岛渗流场的 情况 ， 研究通过选择较大的计算区域进行二维渗流 计算 ， 初步明确不同库水位作用下 ， 地下厂房区的渗 流场及洞群附近区域 的渗流水头边界， 进而为三维 渗流计算边界条件的确定提供基本依据。然后选取 厂房附近一定范围作为计算 区域 ， 采用三维渗流有 限元方法进行计算 。针对不同工况进行计算分析 ， 掌握洞群围岩的渗流场情况 ， 三维渗流有限元主要 分析厂区围岩渗流场分布规律与特征 ； 分析地下洞 群衬砌结构上的渗流压力分 布； 确定作用于衬砌结 构上的水压力 ； 计算通过 围岩进人各地下厂区各洞 室的渗流量及汇人地下主厂房渗漏集水井的渗流总 量 ； 通过渗流参数 和防渗、 排水结构的敏感性分析 ， 对防渗、 排水设计方案进行深入分析。通过二维渗 流场、 三维渗流场对地下厂区渗流计算分析， 主要研 究结果如下 ： ( 1 )正常蓄水位下， 地下厂房、 交通竖井、 尾水 调压室衬砌结构的水 力梯度均不超 过临界水力梯 塔里干水 利枢纽工程于 2 0 0 2年 3月 1 5日开 工， 2 0 0 6年 1 月 2 8日下闸蓄水 ， 2 0 0 6年 8月 3 l E l 投入运行 ， 工程运行至今 良好。经报审与严格遴选 ， 中国建筑业协会于 2 0 0 9年 1 0月 3 0日公布伊朗塔 里干水利枢纽工程荣获 2 0 0 9年度中国建设工程境 外工程“ 鲁班奖” 。 地下工程在施工期开挖过程 中， 厂区岩体渗水 很少 ， 洞室较干燥。同时， 地下厂房排水设施观测资 料结果也表明围岩透水性微弱 ， 厂房顶拱绝大部分 岩面干燥 ， 仅局部有少量滴水现象 ， 证明了塔里干水 利枢纽 电站的防渗排水设计是合理 、 安全、 可靠的。 电站在今后的永久运行中需要对失效的排水孔进行 维修， 以防止排水孔被泥沙或化学凝结物堵塞， 应使 排水系统经常处于良好的工作状态， 以发挥其正常 作用。 参考文献： 1 李铭 ， 田利军 伊朗塔里干水利枢纽输水洞及 电站 厂房工程基 础设计备忘录 R 西安： 中国水电顾问集团西北勘测设计研 究院， 2 0 0 3 2 袁俊平 伊朗塔里干水利枢纽工程输水洞及电站厂房地下洞群渗 流和结构应力三维有限元分析 R 南京 ： 河海大学 ， 2 0 0 5