瀑布沟水电站地下厂房洞室群防渗排水设计.pdf

2 0 1 3年 第 3 2卷 第 2期 D WR H E 水 利 水 电 工 程 设 计 3 瀑布沟水电站地下厂房洞室群防渗排水设计 樊熠玮 莫如 军 李建华 摘要水 电站地 下厂 房洞室群 防渗排水设计对地下 洞室群 的稳定 、工程运行 安全等具有 十分 重要的意义。结合瀑 布 沟水电站厂区地 下洞室群三维有 限元渗流分析和计算 ，对厂 区防渗排水 系统进 行方案布置 、参数设计 ，并根据工 程 蓄水 运 行 以来 的 监 测 资料 ，对 防渗 排 水 措 施 进 行 初 步 分析 评 价 。 关键词 地下厂房 防渗排水 设计 瀑布沟水电站 中图分类号T V 2 2 3 4 文献标识码B 文章编号 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 0 3 0 4 1 概述 1 1 工 程 概 况 瀑布沟水 电站位 于大渡河 中游 ，水库正 常蓄水位 8 5 0 0 m，总库容 5 3亿 m ，电站装机 容量 3 6 0 0 M W。枢纽建 筑 物包括砾 石土心墙堆石 坝 、岸边 溢洪道 、泄洪洞 、地 下厂 房系统等。 大 凌 f J f 水 电站地 下厂房采用“ 首部式 ”布置 洞 室群位 于挡 水坝下游 、库 水位 以下 约 1 9 0 m 的左 岸 山体 内 采用三大 洞室平行布置 方式 ，以主厂 房 、主变 室和尾水 闸门室为骨 架 ，形 成 “ 上下分层 、前后分列 、纵横交错 ”的地下洞室 群 ，主厂房纵 轴线 方位 N 4 2 。 E。附属洞 室还 包括 母 线洞 、 进厂交通洞 、排风竖井及平洞 、厂房排水廊道等 ，见 图 1 。 发 电 系统 三 大洞 室 尺 寸 ：主副 厂 房 长 2 9 4 1 0 m、宽 图 1 瀑布沟地下厂房洞室群平面布置 3 0 7 0 m、高 度 7 0 1 7 5 m； 主 变 室 位 于 主 厂 房 下 游 ， 长 2 4 9 1 0 m、宽 1 8 3 m、高 2 5 9 7 5 m；尾 闸室 位于 主变室 下 游 ，长 2 0 6 5 0 m、宽 1 7 4 0 m、高 5 6 3 5 m。厂房与 主变 室 之 间 岩柱 厚 41 9 5 m，主 变 室 与尾 闸室 之 间 岩 柱 厚 3 2 7 m。 1 2厂 区 工 程地 质 及 水 文 地 质 条 件 1 2 1 工程地质条件 地下厂房洞室群位 于挡水坝 下游左 凸岸花岗岩山体 中 距河边约 4 0 0 m，上覆 岩体厚度 2 2 0 3 6 0 m。岩性为单一中 粗粒花 岗岩体 ，其 中有少量辉绿 岩脉分布 ，岩性坚硬 ，强 度 高 ，无 大 的 地 质 构 造 ，完 整 性 较 好 。厂 区 内无 大 的 断 层 ， 仅有小断层 、挤压破碎带 和辉绿岩 脉破碎带 。岩体多较完 整 以次块状一块状结构为主 ，围岩属 、类为主 。 1 2 2 水文地质条件 地下厂 房洞室距 水库岸 坡最小距 离 1 2 0 m。 由于左岸 d 水 利 水 电S F _ 程 设 计D WR H E 2 0 1 3年 第 3 2卷 第 2期 为河流 凸岸 ，地形坡度较 陡 ，地下水 排泄条件较好 ，因此 地下水 埋藏较深 。地 下水赋存于左岸 岩体 中，多富集于断 层破碎 带 、影响带及 裂隙密集带 。接 受大气降水 下渗和地 下水侧 向补给 ，向大渡河排泄 。洞室开挖后一般均较干燥 厂区地下水不丰 ，仅 局部有渗水 、滴水现象 。左岸厂 区岩 体主要是澄江期花 岗岩侵 入体 ，渗透系数 为 3 5 1 0 e m s 。 虽然厂 区岩体 大部分完整 ，渗透性较弱 ，但裂隙发育 的岩 体和断层带渗透性较强 。水库 正常蓄水位 8 5 0 0 m，下游一 台机运行水位 6 6 7 6 m。 2地 下 厂 房 洞 室 群 防 渗 排 水设 计 2 1 设 计 目的 及 原 则 地 下厂房采用 “ 首部式 ”布 置 。位置 紧靠 水库 ，渗径 垒 垒 ! ； 安装 高程 较短 ，并存 在裂隙发育 的岩体和渗透性 较强的断层带 为 减 少渗 透量 。降低洞 室围岩的外水 压力 ，避免或减 少渗漏 水对洞室围岩稳定性及厂 内电气设备正常运行 的不利影响 ， 合理疏排围岩地下水 ，应对厂 区地下洞室群进行 防渗排水 系统设计 。针对瀑布沟水 电站地下厂房洞室群的布置特点 ， 防渗 排水 设计 与挡 水 坝岸 坡段 防渗 帷幕 相结 合 ，并 采 用 “ 先防后排 ，以排为主：防排结合 ，立体设计”原则。 厂区防渗排水系统平面布置见图 1 ，典 型剖 面见 图 2 。 2 2洞 室 群 上 游侧 防渗 帷 幕 设 计 地下厂 房洞室群 防渗 帷幕作为阻水 防线布置在 厂房洞 室群 的上游侧 ，距厂房中心线 6 3 6 7 m。防渗帷幕在平面上 与厂房纵轴线平行 ， 并 向左侧( 山体 内侧 ) 延伸超过厂房端 头 1 7 1 7 m，右侧 ( 河岸侧) 与挡 水坝防渗帷幕连接 ，构 成左岸 图2厂区防渗 排水 系统典型剖面 ( 单位 ：r f 1 ) 防渗线 。防渗帷幕渗透系数按 3 0 1 0 c m s 控制。 考虑灌浆钻孔施工能力和防渗效果 ，防渗帷幕分 3层 ： 第 1 、2层防渗帷幕顶高程约为 8 5 6 0 m ( 坝顶 高程) 、7 9 6 0 m。帷幕方向与铅直方向夹角 ；第 3层 防渗 帷幕 为铅直 方 向 ，顶高程约 7 3 1 0 m，帷幕底深入压力钢管底部 。各层帷 幕顶 、底搭接 约 4 m长。 2 3洞 室 群 外 围 排水 系统 设 计 排水 系统设 计包括排 水廊道和 排水 帷幕设计 。根据工 程枢纽 布置 。结 合工程类 比，排 水廊道 和排水帷 幕共设 4 层 ，分别位于主厂房上游侧不 同高程 、距 离处 ，见 图 2 。 ( 1 )第 1层排水廊 道与防渗帷 幕灌浆廊道共 用 ，距 主 厂房 中心线 6 3 6 7 m，廊道断 面尺寸 3 0 mx 4 0 m ( 宽 高 ) ， 底高程为 7 3 3 5 4 7 3 1 6 7 m，底板纵坡 0 5 。在廊道 顶拱 下 游侧钻设 向上 的 7 6 m m排水 孔 ，倾 向下游 ，与铅 直方 向 夹角 l 5 o 孔距 4 0 m，孔顶高 程 7 7 5 0 m，深 4 0 m。廊道 渗水与坝肩岩体渗水统一汇入坝体渗漏集水井 ，抽 出洞外。 ( 2 )第 2层排 水廊 道距 主厂房中心线 5 1 3 9 m，布设 于 洞室群上游侧 、 左侧 ( 山体内侧) ，断面尺寸 2 0 m 2 5 m( 宽 高) ，底高程 6 9 5 7 6 9 3 3 3 m，位 于主厂房顶拱拱座高程 附 近。在廊道顶拱下游 侧钻设 向上的 7 6 m m 排水孔 ，倾 向 下游 ，与铅直方向夹角 1 5 。 ，孔距 4 0 m，孔顶高程 7 3 2 3 n l ， 深 3 5 m。洞室底板纵坡 0 4 ，渗水排 入尾水 闸门室 。 此外 ， 该层 排水廊道底板上游段距左侧 ( 靠山 内侧 ) 端墙 约 6 0 n l 处设 1 4 m长平坡洞段 其下游 墙角布设 4孔斜 向 q b 7 6 mm连通排水孔与下层 2 排水廊道相通 孔距 4 0 m。 ( 3 )第 3层 排水廊道距 主厂房 中心 线 3 5 0 Il l ，布设 于 樊熠玮 等 瀑 布 沟 水 电 站 地 下 厂 房 洞 室 群 防 渗 排 水 设 计 5 洞室群 上游侧 、左侧 ( 山体 内侧 ) ，左 侧包裹至安装 间下游 侧 2 4 1 m，右侧包裹 至主厂房上游墙位置 ， 断面尺寸 2 0 m X 2 5 m ( 宽 高) ，底高程为 6 7 7 9 6 7 6 8 m，位于发 电机层高 程 附近 ，洞室底板纵坡 0 - 4 。在廊道顶拱 下游侧钻设 向上 的 7 6 m m 排水孔 ，倾 向下游 ，与铅直 向夹 角 1 5 o ，孔距 4 0m，孔 顶 高 程 71 4 3 m，深 3 5 m。 在与上层排水廊道上游侧平坡洞段相应段 设 1 4 m长 平坡 洞段 ，在廊 道中央布设 8孔铅直 向 7 6 m m连 通排水 孔与下层排水廊道相通 ，孔距 4 0 m；在该层排水廊道右侧 端部 附近 ，设 4孑 L 铅 直 向 7 6 mm连通排 水孔与下层 排水 廊道相通 ，孔距 3 7 5 m。本层排 水廊道渗水 全部 由连通 排 水孔排人下层排水廊道 。 ( 4 )第 4层 排水廊道 距主厂房 中心线 3 5 0 m，左侧从 安装间端墙 向山内水平延 伸 1 5 m，右侧从副厂房端墙 向山 外侧水平延伸 1 5 m，断面尺寸 2 0 m x 2 5 m( 宽X 高 ) ，底 高程 为 6 4 9 0 6 4 7 9 m，位于操作廊道层 高程附近 ，洞室底板纵 坡 0 4 。在廊 道底 板 下游侧 墙 角处钻 设铅 直 向下 的 7 6 m m 排水 孑 L ，孔距 4 0 m，深 2 0 m。主厂房 内操作廊道层 汇 集 的渗水 、设备 冷却水等通 过连接廊道 排人第 4层 排水廊 道 。第 4层排水廊 道汇集 了主机间设备部 分冷却水 、围岩 中的大部分渗水 。并通过 连接廊道汇 入主机间端部 的渗漏 集水井 ，再 由水泵设备抽排人尾水 。 2 4三 大 洞 室 排 水 设 计 根据工程类 比，对三大洞室 ：主副厂房洞室 、主变室 、 尾水闸门室 ，拟定 排水措施如下 。 主厂房顶拱 、边墙布置 4 8 ra m 4 m 4 m、L = 7 m排水 孔 主变 室顶 拱 、边 墙 布 置 q b 4 8 mm4m 4 m、L= 6 m 排 水 孔 尾 水 闸 门 室 顶 拱 和 高 程 6 8 1 5 0 m 以 上 边 墙 设 8 ra m 4 m 4 m、L = 7 m排水孔 ，高程 6 8 1 5 0 m( 尾水平 台高 程附近) 以下边墙设 8 mm 4 m 4 m、L = 5 m排水孔 。 排水孔 内水 汇人排水 沟 ，主副 厂房 及主变 室的渗漏水 排人厂 内渗漏集 水井 ，由水 泵设备抽排 至尾 闸室 。尾闸室 渗漏水则直接排人尾闸室内 ，经无压尾水洞排入河道。 为降低厂 内的湿 度 在厂 房 、主变 室四壁设置 防潮隔 墙 并 与顶棚形成封闭的防潮体 系。 3 洞室群三维渗流有限元计算 按照 拟定的防渗排 水系统设计 分析并 复核岩体初 始 三维渗 流场分布和施工 期及运行期 的渗流场 分布规律 ；根 据施工和 运行 期渗流场产 生的渗 流荷载 。分 别对施工开挖 和 运 行期 的 围岩 稳 定 进 行 分 析 。 3 1 计 算 资 料 ( 1 )由于地下洞室群 上部地形坡 度较陡 ，地 下水排 泄 条件较好 。因此地下水埋 藏较深 。施 工期只考 虑洞室开挖 的影响 ，不考 虑排水廊道 和防渗帷幕 的影响 ，地 下洞室群 处原 始地 下水位为 8 2 5 8 1 9 m。 ( 2 )正 常运行期分析考虑 了洞室 开挖影 响和排水廊 道 、 防渗帷幕 的作用 ，除 山体 的地 下水外 ，还包括水库 蓄水影 响 ：上游按正 常蓄水位 8 5 0 m计算 ，下游按 l台机运行水 位 6 6 7 6 m考虑 。 ( 3 )三维渗流场计 算时考虑 了主厂房上游 1条主要 断 层 ，断层走 向和倾 角为 N 7 0 。 E N W 8 5 。 ，断层厚 度 1 5 m。根据岩体分类 ，各类岩体均按均质岩体渗流计 算。 3 2计算模型 三维渗流有 限元计 算模型 的坐标 ： 轴为 N1 3 2 。 E，与 厂 房 纵 轴线 垂 直 ，指 向下 游 为 正 ；Y轴 为 N4 2 。 E， 与厂 房 纵 轴线重合 ，指 向左端墙为正 ；z 轴与大地坐标重合 ；坐标原 点 位于厂房纵轴 线与 机组 中心线 的交点 。沿 、Y 、 轴 3个 方 向的计算 范围分别 为 1 2 2 9 0 、8 4 9 、6 7 8 1 m： 沿 轴 方向计算 范围从 厂房上游 一 4 0 2 0 m到下游 8 2 7 0 m， 沿 Y 轴方 向计算 范围从一 9 4 m到 7 5 4 m 沿 轴方 向计算 范围从 高程 3 0 7 6 m到 9 8 5 7 i n 。 3 3计 算 工 况 分析计算包括以下 9种计算工况。 ( 1 )计算工况 l ：计算地下洞室开挖前 的初始渗流场 ； ( 2 )计 算工 况 2 8 ：计 算施工 期第 l到第 7期 开挖情 况下渗流场 变化 ； ( 3 )计 算工况 9 ：计 算运行 期水库 蓄水后 的渗 流变化 情 况 。 3 4计 算 成 果分 析 根 据 以上计 算依据进 行三维渗流有 限元计算 ，计算成 果显示如下 ( 1 )在地下 洞室开挖前 ，岩体渗流场 的渗流等 势线分 布较均 匀 ，等势线从 上游 到下游逐渐减小 ，岩体渗 流的等 水头分 布均匀 ，从 上到下逐渐 加大 。初始 渗流场主要 受地 下 水 影 响 。 在 主 厂 房 上 游 受 断 层 影 响 ，该 区 域 渗 流 加 大 。 ( 2 )在各期开挖 中，地下洞室起到 了一定 的排水作用 ， 随着地 下洞 室开挖 的加大 ，排水 效果增加 。到第 7期 即洞 室开挖完毕 ，主厂房 和尾闸室处 的渗流等势线 的值分别 由 8 1 9 m和 8 1 5 11 3 降为 7 2 0 m和 6 9 4 m。各期 开挖进程 中 ，渗 流等势线相应 降低 。 ( 3 )洞室 开挖 完毕 ，水 库蓄水后 ，由于上游水 位提高 ， 靠近帷幕上游 的渗流等 势线的值提 高较大 。由于防渗帷幕 和排水帷幕发挥 功用 ，厂 房前端 的排水 廊道及排水 孑 L 幕 的 消减水头 的作用 明显 ，在 防渗帷幕和排水 幕的联合作用 下 ， 厂区上游来水得 到了有效控 制 ，自由面下降明显 ，主厂房 和尾 闸室处的渗流等势线的值分别降为 6 6 0 m和 6 7 7 m，与 原 始 地 下 水 状 况 和施 工 开 挖 期 末 渗 流 场 状 况 对 比 明显 说 明防渗排水系统作 用较好 。 ( 4 )比较施工期 和运行期 等水头线分 布 ，施工期等 水 头线在 洞周有 1 O 2 0 m作用水 头 。运行期 洞周作用水头 基 本 为 O 但 在上 游 防渗帷 幕处 作用 水头 较大 ，从 8 0 i n到 1 5 0 m，对 洞室 围岩稳定有一定影 响，渗流场受 防渗 帷幕 和 排水廊道 布置 影响较大 ，要注意运 行期渗控措施 的工作状 态 ，尤其是排水帷幕 ，要确保各排水孔 的排水畅通性。 3 5 厂 区渗 水 量 地 下 厂 房 洞 室 开 挖 后 ，岩 面 基 本 干 燥 、仅 局 部 出 现 少 6 水 利 水 电 工 程 设 计D WR H E 2 0 1 3年 第 3 2卷 第 2期 量渗水 的实 际情况 ，说 明地 下水不丰 富。根据三维渗 流有 限元法计算成 果 考虑 防渗和排水帷幕 的作用 水库 蓄水 后 ，库水对地 下厂房洞室 群的渗流量影 响较小 。综 合分析 取地 下厂房 区域岩体 的设计 总渗流量 为 3 5 0 m3 h ，并 据此 作为渗漏集水井抽排水泵选型的依据之一 。 在选取 厂房渗漏排水 设备时 ，综 合考虑地下 厂房洞室 的岩体渗流量和 厂内机组管路 的漏 水量 以及设备 的运行 可靠性 ，在布置条件许可 的情况下 。选用适 当的水泵机型 ， 并留有必要 的排水安全储备 。以保证地下厂房的运行安全 。 3 6岩体 渗 流 场 对 地 下 厂 房 洞 室 围岩 稳 定 影 响 的 分 析 根据施工期 和运行期渗 流场 的渗 流荷 载 。对初始状态 、 施工期和运行期 的围岩稳定性进行分析 。并进行对 比。 ( 1 )不考 虑渗流作用 和考虑渗流影 响的洞周 围岩破坏 区分布 特征基本相 同。考虑渗流后 ，岩体 的应 力扰动和破 坏 区有所增加 但增加量很小 。 ( 2 )考虑施工期渗流作用后 ，围岩破坏区 、洞周应力 、 锚 杆应力 、喷层应力 、断层滑 动系数 、单元 点安全系数都 有所变化 ，但变化 量值较小 ，洞周的位移 变形 稍大 。主厂 房顶拱 最大 位移为 0 6 0 e m上下游 边墙 最大 位移 分别 为 5 6 6 e m和 5 3 0 e m：主变室顶拱最大位移为 0 1 7 e m。上下 游边墙最 大位移分别为 1 7 8 c m和 2 6 8 e m：尾 闸室顶拱最 大位移 为 0 1 0 c m，上下游边墙最大位移 分别为 4 0 3 e m和 3 2 4 e m；主 厂房最 大应 力为一 2 7 7 MP a， 主变 室最 大 应力 为一 3 5 2 MP a，尾 闸室最 大应力 为一 2 6 2 MP a，说明渗流对 洞室围岩稳定有一定影响 ，但总体影响不大。 ( 3 )运 行期考虑 了防渗和排水 等措施 ，渗 流对洞室 围 岩稳定影 响相对较小 。主厂房顶拱最大位移 为 0 6 5 e m，上 下 游边墙最大位 移分 别为 5 5 5 c m 和 5 1 9 e m：主变 室顶拱 最 大位移 为 0 2 1 c m上下 游边墙最 大位移分 别为 1 7 8 e m 和 2 5 8 c m；尾闸室顶拱 最大位 移为 0 0 5 e m，上下游 边墙 最 大 位移 分别 为 3 9 5 c m 和 3 1 5 e m； 主厂 房 最 大 应 力 为一 2 7 6 MP a， 主变室最大应力为一 3 3 6 M P a，尾闸室最大应 力 为一 2 6 1 MP a 。运行期 地下水 虽然 比施 工期有 较大增加 ， 但 由于采取 了排水帷幕 和防渗帷幕 等措施 ，运 行期渗流对 洞 室的稳定破坏影 响很小 。但 防渗帷幕 和排水廊道失效对 洞 室围岩稳定将有 较大影响 。做 好各项 防渗和排水措施 对 确保运行期洞室 的围岩稳定是 非常必要 的。 综 上看来 ，渗 流对洞室 围岩稳定有一 定影响 但 总体 影响不大 。在保证 防渗帷幕 的施工质量 和排水帷幕正 常运 用 下 ，运行 期 地 下 厂 房 洞 室 围 岩稳 定 是 安 全 的 。 4运 行 期 监测 分 析 4 1 渗 流 资 料 分 析 瀑布 沟水 库于 2 0 0 9年 l 1月下 闸蓄水 ，2 0 1 0年 1 0月 蓄水 达到正常 蓄水 位 8 5 0 m，2 0 1 1年 8月水库 水位消落 至 8 3 3 m 左 右 。 根据瀑 布沟地下 厂房在蓄水前 至今的渗水 流量观测分 析成果 来看 ，第 2层排水廊道渗 水量与蓄水前 相 比基本 呈 现增 加现象 ，其渗水 主要 由主变 室对应 部位顶 部排 水孔 、 副厂房及 6 机组对应部位上游侧裂 隙渗漏水 、顶部排水孔 渗漏 水汇集而成 ，但渗水量小 于 O 5 L s ：第 4层 排水廊道 蓄水前期稳定在 4 Us 随着 l 6 # 机组 的发电运行 及二期 蓄 水水位 的逐渐下降 ，渗水量有小 幅减 小 ；2 0 l 1 年 7月 ，根 据 目测判断 。3 排水廊道渗流量约在 2 0 L s 。 4 2洞室群 稳定性监测资料分析 根据对监测 数据的整理 与理论设计值 比较分析 引水 发 电系统各部 位物理量变化 正常 ，符合 一般规律 。由于洞 室群 防渗排水 措施发挥作 用 。库 区水位 升降变化对 地下厂 房洞室群位移 、应力等监测指标影响不大 。 5结语 根据瀑布沟地下 厂房洞室 群防渗排水设 计 ，结合 蓄水 以来 渗流 资料分析 ，有如下特点 ： ( 1 )由于洞 室群防渗排水 系统发挥 功用 ，围岩渗 流量 在蓄水前后呈现 一定幅度 变化 并 随着 水位涨落有 相应增 加或减小 变化 幅度满足设计控 制范 围。 ( 2 )第 4层 排水廊道 汇集 了较多 岩体渗漏水 ，这是 因 为第 2层排水 廊道部分渗 水 、第 3层 排水廊道全部 渗水通 过 上下 层连通排水孔汇入 3 排水廊道 ，同时操 作廊道层部 分 生产用水 、主副 厂房洞部分渗水 也通过连接 廊道汇入 3 排水廊道 ，表明排水系统起 到了较好作用 。 ( 3 )第 4层 排水廊道渗流量换算 约为 7 2 m 3 h ，渗漏井 水泵设备满足使用要求 。并 有安全裕度 。 就瀑布沟水 电站地下厂房 洞室群 防渗 排水措施 的运行 管理 ，还应注意 以下事项 ： ( 1 )为保 证排水 系统 经常处 于 良好的工作 状态 ，发 挥 其正 常作 用 ，需对排水设 施进行 日常检查 和维护 ，对排 水 管 网设施的操作要严格按照有关操作规程进行。 ( 2 )作 好水情 、雨情观测工作 ，及时 预报 ；按要求 作 好 洞室群渗流测量 工作 。并及 时分析水情 、雨情 、渗流量 相关 分 析 工 作 。 ( 3 )作好地 下厂房洞室群 监测工作 ，及时分 析围岩稳 定性状况。 瀑布沟水 电站地下 厂房洞室群 防渗排水设 计对类似 工 程 防渗排水设计具有一定 的借鉴意义。 作者简介 樊熠玮 男 工程 师 中国水电工程顾 问集 团成都 勘测设 计 研 究院 四川 成 都6 1 0 0 7 2 莫如 军 男 高级工程 师 中国水 电工程顾 问集 团成都勘 测设 计研 究院 四川 成 都 6 1 0 0 7 2 李建 华 男 高级工程 师 中国水 电工程顾 问集 团成都 勘 测设 计研 究 院 四川 成 都 6 1 0 0 7 2 ( 收 稿 日期 2 0 1 3 0 3 - 1 4)