周宁水电站地下厂区渗透安全和排渗优化研究1

1、1土木工程概论周宁水电站地下厂区渗透安全和排渗优化研究 2 1.问题的提出 2.工程地质和水文地质条件 3.渗流分析模型建立 4.渗控优化设计与渗透安全分析 5.结 语 目 录： 3 1. 问题的提出 周宁水电站为混合开发方式，总装机容量250MW，厂区系统设置于地下，电站作用水头特别大（加权平均水头达422m）。由于岩体渗流问题十分复杂、影响因素多，且地下厂区渗控布置的优劣，对工程安全、投资、工期均有很大影响，深入研究十分必要。周宁水电站碾压混凝土重力坝周宁水电站碾压混凝土重力坝 4 世界级巨型水电站乌东德（国内装机容量世界级巨型水电站乌东德（国内装机容量第三：第三： 12128585万万K

2、W=1020KW=1020万万KWKW ） 比较案例：比较案例：5 上图：渗控系统布置平面图上图：渗控系统布置平面图下图：渗控系统布置剖面图下图：渗控系统布置剖面图（国家（国家“十二五十二五”支撑计划支撑计划课题）课题）渗控系统布置图（工程量巨大）：渗控系统布置图（工程量巨大）：1.厂房顶部排水孔幕（全覆盖）；2.上、中、下及四周垂直排水孔幕；3.不同高程处的4层排水廊道；4.上游及右岸临江大规模封闭帷幕灌浆。6o 周宁水电站地下厂区及竖井处岩石为微风化-新鲜，围岩类别多属、类，地质条件良好； 地下水类型为基岩裂隙水，富水构造为断裂破碎带及断层交汇处，其余部分基本不透水，补给来源主要为降水；

3、地下水位埋深2050m，最深达100多m，厂房埋深为地表下250300m； 厂区西部地势陡峻，故排泄条件好。2. 工程地质及水文地质7o3.1 稳定渗流有限元计算基本格式o 将岩体视为等效连续各向异性介质；o 地下水运动服从不可压缩流体的饱和稳定渗流达西定律o 利用渗流连续性方程，建立单元体及整体稳定渗流矩阵： 3. 渗流分析模型建立 0QQFHMMQ0Q H式中，为总体传导矩阵，为等效节点流量，为由初流量引起的等效节点流量，为节点水头列阵。（整体渗流矩阵（整体渗流矩阵- -张量式）张量式）8o3.2 各向异性介质的排水孔模型建立o 排水孔是一种极为重要的渗控措施；o 本工程所采用的排水孔孔径

4、较小（5和10 cm），排列密集且数量众多，致使渗控分析时模拟排水孔困难； 本文采用一种将解析法和有限元法相结合的近似方法，将排水孔的作用效应，以排水孔的空间位置、走向及边界性质等几何参量加以描述，具有较高的模拟精度和灵活性。 3. 渗流分析模型建立9式中，n为排水孔段个数； S0为n个排水孔段几何形心处的降深； Ln为n个排水孔段平均长度的一半； F0i为第i个排水孔段对n个排水孔段几何形心处降深的影响函数。o 最后，根据渗流区域属性，将总体排渗流量分配于单元节点即可得到等效节点流量。 3. 渗流分析模型建立nZFFFFRnLsLnRkQ00302010,ln2810o3.3 渗流有限元计算

5、模型建立o计算范围及边界条件：o 西侧上游边界至高压竖井以西200m，东侧下游边界至穆阳溪，北侧、南侧取至地下水分水岭； 四周边界水位取天然地下水位（定水头），底部边界视为不透水层，上边界取地表面； 整个区域共剖分成34182个八节点等参单元，35255个节点。3. 渗流分析模型建立引水系统及地下厂区三维计算模拟图引水系统及地下厂区三维计算模拟图 11o4.1渗控优化研究总体设计原则总体设计原则“上防下排上防下排”o本工程渗控优化布置主要考虑内容：T型排水廊道优化布置；排水孔幕位置、孔距、孔深的优化选择；防渗帷幕的作用；厂房洞室壁面边界条件的影响。 根据本工程实际情况，分析的重点范围是从岔管至

6、主厂房区段，共确定了26种渗控组合方案，限于篇幅，仅对几个典型渗控组合方案（10种组合方案，见表1）的部分特殊结点的外水压力值减少的效果及渗透安全外水压力值减少的效果及渗透安全进行分析评价。 4.渗控优化设计与渗透安全分析124.渗控优化设计与渗透安全分析13渗控系统布置图：渗控系统布置图： 从厂房洞室上游壁面至帷幕上游为：厂房洞室上游壁面、下层横向排水廊道及垂直排水孔、岔管处局部帷幕灌浆。 渗控系统横剖面图渗控系统横剖面图渗控系统布置平面图渗控系统布置平面图渗控系统布置：渗控系统布置：顺水流方向从上到下依次为“岔管处局部帷幕灌浆及上部T型廊道、上下2层横向排水廊道及垂直排水孔、厂房洞室顶部4

7、5斜向排水孔 。 144.渗控优化设计与渗透安全分析左边高压岔管底面上结点左边高压岔管底面上结点的编号及位置示意图的编号及位置示意图(195.0m) 厂房洞室各顶点编号厂房洞室各顶点编号 15o5.1 渗控组合方案推荐o研究表明：o 设置两层“T”型排水廊道对降低高压钢管外水压力及厂房洞室壁面的渗水压力效果较好； 高压钢管前的防渗帷幕应该保留，并可适当加大范围； 排水孔幕的孔距可取4.0m，孔深可取30米。 因此，推荐渗控组合方案方案4 4作为地下厂区排渗布置方案。 与已建和在建的工程（如：乌东德）相比，本工程渗控组合方案比较简单、工程量小、投资省、渗透安全效果良好。5.结 语16o5.2 渗控系统优化布置及研究建议o 排水系统的合理设置对降低高压钢管的外水压力及地下厂房洞室壁面水压力的作用明显，特别是当厂房作用水头较大时，增加排水廊道层数和加长排水孔深度十分必要；o 防渗帷幕的作用效果与其规模有关，在条件允许的情况下，