水电站地下厂房防渗排水设计范文

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1地下厂房洞室群防渗排水设计

1.1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。

1.2洞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63.67m。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17.17m，右侧（河岸侧）与挡水坝防渗帷幕连接，构成左岸防渗线。防渗帷幕渗透系数按3.0×10-5cm/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856.0m（坝顶高程）、796.0m，帷幕方向与铅直方向夹角5°；第3层防渗帷幕为铅直方向，顶高程约731.0m，帷幕底深入压力钢管底部。各层帷幕顶、底搭接约4m长。

1.3洞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63.67m，廊道断面尺寸3.0m×4.0m（宽×高），底高程为733.54～731.67m，底板纵坡0.5%。在廊道顶拱下游侧钻设向上的Φ76mm排水孔，倾向下游，与铅直方向夹角15°，孔距4.0m，孔顶高程775.0m，深40m。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51.39m，布设于洞室群上游侧、左侧（山体内侧），断面尺寸2.0m×2.5m（宽×高），底高程695.7～693.33m，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Φ76mm排水孔，倾向下游，与铅直方向夹角15°，孔距4.0m，孔顶高程732.3m，深35m。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60m处设14m长平坡洞段，其下游墙角布设4孔斜向Φ76mm连通排水孔与下层2#排水廊道相通，孔距4.0m。（3）第3层排水廊道距主厂房中心线35.0m，布设于洞室群上游侧、左侧（山体内侧），左侧包裹至安装间下游侧24.1m，右侧包裹至主厂房上游墙位置，断面尺寸2.0m×2.5m（宽×高），底高程为677.9～676.8m，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Φ76mm排水孔，倾向下游，与铅直向夹角15°，孔距4.0m，孔顶高程714.3m，深35m。在与上层排水廊道上游侧平坡洞段相应段，设14m长平坡洞段，在廊道中央布设8孔铅直向Φ76mm连通排水孔与下层排水廊道相通，孔距4.0m；在该层排水廊道右侧端部附近，设4孔铅直向Φ76mm连通排水孔与下层排水廊道相通，孔距3.75m。本层排水廊道渗水全部由连通排水孔排入下层排水廊道。（4）第4层排水廊道距主厂房中心线35.0m，左侧从安装间端墙向山内水平延伸15m，右侧从副厂房端墙向山外侧水平延伸15m，断面尺寸2.0m×2.5m（宽×高），底高程为649.0～647.9m，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Φ76mm排水孔，孔距4.0m，深20m。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入第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，再由水泵设备抽排入尾水。

1.4三大洞室排水设计

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Φ48mm@4m×4m、L=7m排水孔，主变室顶拱、边墙布置Φ48mm@4m×4m、L=6m排水孔，尾水闸门室顶拱和高程681.50m以上边墙设Φ48mm@4m×4m、L=7m排水孔，高程681.50m（尾水平台高程附近）以下边墙设Φ48mm@4m×4m、L=5m排水孔。排水孔内水汇入排水沟，主副厂房及主变室的渗漏水排入厂内渗漏集水井，由水泵设备抽排至尾闸室，尾闸室渗漏水则直接排入尾闸室内，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。

2洞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。

2.1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825～819m。（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850m计算，下游按1台机运行水位667.6m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f23，断层走向和倾角为N70°E/NW∠85°，断层厚度1.5m。根据岩体分类，各类岩体均按均质岩体渗流计算。

2.2计算模型

三维渗流有限元计算模型的坐标：x轴为N132°E，与厂房纵轴线垂直，指向下游为正；y轴为N42°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6＃机组中心线的交点。沿x、y、z轴3个方向的计算范围分别为1229.0、84.9、678.1m：沿x轴方向计算范围从厂房上游-402.0m到下游827.0m,沿y轴方向计算范围从-9.4m到75.4m,沿z轴方向计算范围从高程307.6m到985.7m。

2.3计算工况

分析计算包括以下9种计算工况。（1）计算工况1：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1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。

2.4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f23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819m和815m降为720m和694m。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孔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660m和677m，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10～20m作用水头，运行期洞周作用水头基本为0，但在上游防渗帷幕处作用水头较大，从80m到150m，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。

2.5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350m3/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。

2.6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0.60cm，上下游边墙最大位移分别为5.66cm和5.30cm；主变室顶拱最大位移为0.17cm，上下游边墙最大位移分别为1.78cm和2.68cm；尾闸室顶拱最大位移为0.10cm，上下游边墙最大位移分别为4.03cm和3.24cm；主厂房最大应力为-27.7MPa,主变室最大应力为-35.2MPa，尾闸室最大应力为-26.2MPa，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0.65cm，上下游边墙最大位移分别为5.55cm和5.19cm；主变室顶拱最大位移为0.21cm，上下游边墙最大位移分别为1.78cm和2.58cm；尾闸室顶拱最大位移为0.05cm，上下游边墙最大位移分别为3.95cm和3.15cm；主厂房最大应力为-27.6MPa,主变室最大应力为-33.6MPa，尾闸室最大应力为-26.1MPa。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。

3运行期监测分析

3.1渗流资料分析

瀑布沟水库于2009年11月下闸蓄水，2010年10月蓄水达到正常蓄水位850m，2011年8月水库水位消落至833m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0.5L/s；第4层排水廊道蓄水前期稳定在4L/s，随着1#～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；2011年7月，根据目测判断，3#排水廊道渗流量约在20L/s。

3.2洞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。

4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72m3/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：樊熠玮莫如军李建华单位：中国水电工程顾问集团成都勘测设计研究院