乌东德水电站左岸防渗帷幕布置方案优化研究

施华堂　顾功开　乔兴斌　肖碧

摘要：乌东德水电站在可研阶段设计的是左岸防渗帷幕穿过厂房上游侧后，向上游转折接Pt2-12y相对隔水层，防渗依托可靠，但防渗线路长、工程量大，且上接线路穿过溶蚀发育的灰岩地层，灌浆施工难度较大。根据施工期开挖揭露的地质条件和专项补充勘探成果，开展了防渗依托层论证、三维渗流计算分析、结构稳定安全复核等研究，将左岸防渗帷幕布置调整为下接Pt2-12y弱透水层，缩短帷幕线路长度达329m，效益显著。研究成果对同类工程防渗依托层的选择及帷幕布置优化具有较好的参考意义。

关键词：防渗帷幕;防渗依托层;渗流计算;防渗帷幕优化;乌东德水电站

中图法分类号：TV543

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.028

1工程概况

乌东德水电站是金沙江下游河段（攀枝花至宜宾）4个梯级一乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中的最上游梯级，坝址左岸隶属于四川省会东县，右岸隶属于云南省禄劝县[1]。工程开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运等。水库正常蓄水位975.00m，总库容74.08亿m3。坝址区主要出露会理群落雪组（P2）和因民组（Pt2，）地层，岩性为灰岩、白云岩、大理岩化白云岩、大理岩、千枚岩等。地层整体呈单斜状，岩层走向与金沙江流向呈大角度斜交，陡倾下游，倾角60°～80。岩体中裂隙总体不甚发育，透水性以微透水-弱透水为主，中等-强透水性岩体主要受溶蚀、卸荷影响所致，

可研阶段，乌东德水电站拟采用的是厂坝联合防渗方案，河床部位防渗帷幕沿大坝基础廊道布置，左岸防渗帷幕穿过厂房上游侧后，向上游接Pt2-12y极薄层-薄层大理岩化白云岩，层间多夹千枚岩薄膜，岩溶不发育，属相对隔水层，稳妥可靠。防渗帷幕线路全长约2194m，防渗面积约44.4万m2，帷幕灌浆总进尺约400km。帷幕灌浆工程具有线路长、工程量大、防渗标准高等特点，是制约发电工期的关键因素之一。

2优化研究的必要性

（1）防渗帷幕穿越地下电站引水隧洞和泄洪洞后，上接Pt2-12y线路再穿过Pt1-32y、Pt1-12y、Pt2-22y等灰岩地层，局部溶蚀较为发育，灌浆施工难度较大。施工阶段大量洞室开挖揭露地质条件分析认为，Pt2-12y大理岩化白云岩岩溶不发育，透水率总体较小，存在作为防渗依托层的可能性。

（2）左岸防渗线路穿越建筑物后，上接Pt2-12y，地层段的线路长度达579m，相应钻灌工程量约65km。若帷幕下接Pt2-12y地层的方案成立，可大幅缩短帷幕线路长度和钻灌工程量。

（3）左岸防渗帷幕若采用下接Pt2-12y地层方案，帷幕距离地下洞室群的距离较近，对地下厂房及泄洪洞等地下洞室群结构的影响有必要通过三维渗流计算分析后进行复核与论证。

综合考虑施工期揭露的地质条件、Pt2-12y地层专项补充勘察成果及复杂洞室群条件下的三维渗流场成果，在确保结构稳定与安全的前提下，研究利用弱透水Pt2-12y地层进行左岸防渗帷幕布置的可行性，这对节省工程投资和降低施工难度是十分必要的。

3帷幕布置优化研究的总体原则

帷幕布置优化一般主要从帷幕线路布置和灌浆孔布置两方面进行[2-4]。灌浆孔的布置优化应结合先导孔成果、防渗要求分析确定合理的帷幕底线及灌浆孔深，结合工程经验与灌浆试验成果确定最优孔排距，并在灌浆工程实施过程中动态优化调整，必要时可分期实施灌浆帷幕，分步检查灌浆效果。帷幕线路的布置优化应采取勘察、物探、试验等综合手段，充分查明坝址区工程地质和水文地质条件，高度重视溶蚀发育区、断层破碎带等强透水性部位的帷幕布置，并应结合工程布置、结构安全等进行综合分析。帷幕线路布置优化研究的原则一般如下。

（1）防渗帷幕端点宜深入防渗依托层一定距离[5-6]，且防渗依托层应有一定的厚度。当大坝两岸山体内高于正常蓄水位的稳定地下水距离河岸较远时，帷幕防渗终端可采取接防渗依托层（隔水层或相对隔水层）的方案;考虑帷幕永久运行安全，厚度太薄的隔水层或相对隔水层不宜作为防渗依托层。

（2）防渗帷幕线路调整应不影响建筑物的结构安全。防渗帷幕线路调整后，应不影响大坝、地下洞室等建筑物结构安全，或建筑物采取一定措施后仍可满足结构安全要求，且投资相对节省。

（3）防渗帷幕线路调整后渗漏量应尽量小。为降低扬压力，提高围岩或结构稳定性，帷幕后常设置有基岩排水孔。排水措施对结构安全有利，但渗流量过大将加大运行成本，同时渗流量超过设计抽排能力时，对工程运行安全不利。因此，帷幕线路调整后的渗漏量应尽量小，且满足抽排设施排水能力的要求。

（4）防渗帷幕线路宜尽量短。选择较短的防渗帷幕线路可以减少帷幕工程量和投资，缩短帷幕灌浆工程工期，也是防渗帷幕布置优化调整的主要目标。

（5）防渗帷幕线路应截断断层等地质缺陷，且地质缺陷部位应确保幕体质量。为防止库水经过断层等地质缺陷向下游渗漏，帷幕线路布置应进行专门分析，并尽可能穿过地质缺陷部位。同时，为确保幕体质量和耐久性，宜对断层及影响带等部位视情况加密灌浆处理。

4优化研究的内容

4.1防渗帷幕依托层论证

针对Pt2-12y地层开展专项补充勘察，采取勘探平硐、钻孔、压水、岩石镜鉴、水质分析、同位素测定等综合手段，并结合施工期大量洞室素描成果，重点分析Pt2-12y地层的分布特征、岩溶发育情况、岩体透水性及下接线路上雷家湾沟断层（F15）的展布特征、渗透性等，对Pt2-12y地层作为防渗依托层进行论证分析，主要结论如下。

（1）Pt2-12y地层厚约96m，岩性为中厚层-互层夹薄层和厚层灰白色大理岩化硅质白云岩（层间多夹娟云母）。可研及补充勘探共取樣30组进行岩石矿化分析，Pt2-12y主要矿物为白云石，占50%～85%，平均71.45%;其次为石英，占20%～35%，平均21%;酸不溶物平均约占28%，岩石的可溶性属弱。

（2）左岸施工期地质素描统计分析表明：高低线过坝路隧洞、导流洞及其施工支洞、引水发电系统及其施工支洞、泄洪洞及施工支洞等穿过Pt2-12y及同类地层长度达3185.7m，均未揭露到溶洞，进一步表明P2，地层中岩溶不发育。

（3）可研及专项补充勘探中，Pt2-12y及同类地层合计钻孔17个，压水试验440段，岩体渗透性q<1Lu有238段，占54.09%;1～3Lu的有181段，占41.14%;q≥3Lu仅21段，占4.77%.q<3Lu累计达95.23%，q>3Lu的压水试验段主要是局部岩体破碎或临近岸坡岩体卸荷影响所致。可见，Pt2-12y地层渗透性为微-弱透水。此外，水平钻孔压水试验7段，平均值为5.8Lu，平行层面的岩体透水性大于垂直层面的岩体的透水性，岩体具有各向异性特性。

（4）F15断层充填非岩溶化的辉绿岩脉，总体属微透水岩体，断层下盘靠近断层处岩体局部为弱透水。分析认为辉绿岩脉为深部岩浆侵入，其侵入及冷却过程会对围岩产生破坏，局部地段可能透水性较强。

综上所述，Pt2-12y地层厚度大，大理岩化硅质白云岩不易溶解，施工期内揭露该地层内岩溶不发育，钻孔压水试验表明地层渗透性为微-弱透水，因此Pt2-12y地层可作为大坝左岸防渗帷幕端点依托层，并建议帷幕端点应穿过F15断层进入山内侧一定距离。

4.2三维渗流计算分析

Pt2-12y地层经论证可作为防渗依托层，但下接Pt2-12y地层方案的渗控措施效果能否满足工程要求，需开展三维渗流计算进行分析。同时，还需对帷幕延伸长度进行敏感性分析，以探索优化的可能程度。

左岸渗流计算方案不同帷幕线路布置见图1。考虑不同帷幕线路以及运行期和检修期不同边界条件，渗流计算分析方案具体见表1，三维渗流计算方案F1～F4特征部位水位分布见表2，排水孔渗流量计算成果见表3。

（1）不同帷幕端点防渗依托层计算成果分析。在运行期正常水位工况下，帷幕线下接Pt2-12y地层方案（F2）河床坝段主帷幕前水位为890.1m，主帷幕后水位为744.8m，水位自由面在穿过防渗帷幕及排水幕后有大幅度的降低。大坝主排水孔幕渗流量约为300.5m'/h（左岸），厂房区封闭排水渗流量约306.2m'/h，总体渗流量均不大。由此可见，帷幕线路下接Pt2-12y地层的渗控措施取得了较好的效果。

帷幕线路下接Pt2-12y地層与帷幕线上接Pt2-12y地层相比较，渗流场分布及各部位渗流量基本相同，渗控效果均比较显著，说明防渗帷幕下接Pt2-12y地层与上接Pt2-12y地层均可满足工程防渗要求。

（2）帷幕线路长度敏感性分析。在运行期正常蓄水位工况下，帷幕线下接Pt2-12y地层并穿过F15断层，转折段长310m（方案F3）与转折段长250m（方案F2）相比较，渗流场分布及各部位渗流量相同。分析认为，Pt2-12y地层微-弱透水，防渗帷幕穿过F15断层后继续延伸对岩体渗透性降低效果十分有限。因此，方案F3较方案F2对进一步改善渗控措施效果的作用十分有限，推荐帷幕线路采用转折段长250m。

（3）泄洪洞检修期工况分析（方案F4）。采用推荐帷幕线路，泄洪洞检修期（方案F4）与正常运行期（方案F2）相比较，渗流场分布变化较小，各特征点水头变化值为-2.3～-0.1m，各部位渗流量变化值为-2.6～-28.0m3/h，特征点水头和渗流量均稍有减小。分析认为：计算模型中泄洪洞混凝土衬砌取半透水边界，水头与库水一致，而泄洪洞检修工况条件下，进水塔检修闸门下闸，泄洪洞内无水，减少了渗流补给源，因此，检修工况条件下，渗流量和特征点水头略有降低，对地下厂房洞室稳定和渗流量控制有利。此外，由于推荐帷幕线路与泄洪洞近平行布置，最小距离仅约50m，渗流作用对幕后泄洪洞洞室稳定可能存在一定影响，需要进一步分析、复核。

（4）水垫塘结构型式调整后三维渗流计算复核。乌东德水电站实施过程中，坝后水垫塘结构型式由“封闭式”结构型式调整为“上部封闭，下部透水”复合结构型式后，相应取消水垫塘底部两侧封闭帷幕和排水系统，并在大坝下游坝趾部位855m高程以下增设封闭帷幕。为此，在方案F2的基础上修改三维渗流计算模型并进行了复核，复核结果表明，水垫塘结构型式调整后，渗流场分布差别较小，抽排量有所增加，但仍在可研阶段设计抽排设施排水能力范围之内。

三维渗流计算结果表明，与可研阶段上接Pt2-12y地层方案相比，下接Pt2-12y地层方案渗流场分布和渗漏量差别均较小，渗控措施均满足工程要求;防渗主帷幕端点穿过F15断层后，不同延伸长度对渗流控制基本无影响，推荐采用转折段长250m方案。

4.3地下洞室结构稳定安全复核

根据三维渗流计算成果，复核分析左岸防渗帷幕布置调整后对地下洞室群建筑物的结构安全的影响，包括左岸地下厂房、左岸泄洪洞等。

（1）地下厂房结构稳定安全复核。左岸防渗帷幕采用下接Pt2-12y地层方案时，主厂房底部自由面高程最大为813.1m，下游边墙水位最大为815.2m，均低于主厂房发电机层底板高程（823.2m），略高于水轮机层高程为811.35m，且与可研阶段防渗帷幕采用上接Pt2-12y地层方案的水位值基本相同。分析认为帷幕线路调整后，地下厂房洞室群围岩仍是稳定安全的。

（2）泄洪洞结构稳定安全复核。泄洪洞永久运行工况下，外水压力为有利荷载，根据《水工隧洞设计规范》（DL/T5195-2004）规定[7]，当地下水压力对结构受力有利时，作用分析系数取0，即可以不考虑外水压力的作用;泄洪洞检修工况下，外水压力为不利荷载，作用分析系数取1.0，应考虑外水压力对泄洪洞衬砌结构的影响。因此，主要针对泄洪洞检修工况对泄洪洞结构设计影响进行复核。

针对泄洪洞检修工况，分析可研阶段结构计算时外水压力水头取值，以及帷幕上接Pt2-12y地层与下接Pt2-12y地层三维渗流计算外水压力水头（见图2）。

从图2可以看出，帷幕下接Pt2-12y地层与帷幕上接Pt2-12y地层三维渗流计算外水压力水头值基本相同，而且均小于可研阶段衬砌配筋计算外水压力水头取值。因此，左岸防渗帷幕采用下接Pt2-12y地层方案时，可研阶段泄洪洞衬砌配筋设计仍满足结构安全要求。

4.4防渗帷幕布置优化方案

根据上述研究成果，左岸防滲帷幕布置优化方案如下。

（1）防渗帷幕线路平面布置。左岸防渗帷幕出坝端后，垂直穿越地下电站引水隧洞下平段，出厂房段后垂直泄洪洞轴线方向穿越3条泄洪洞和2条导流洞，再往山内折向下游，穿过F15断层及影响带约15m，接至Pt2-12y地层。左岸防渗帷幕优化线路全长约730m，相比可研阶段（1059m）缩短329m。

（2）防渗标准。左岸防渗帷幕设计标准和可研阶段相同，即：近岸山体段（双排帷幕区）灌后基岩透水率q≤1Lu;远岸山体段（单排帷幕区）灌后基岩透水率q≤3Lu。

（3）防渗帷幕底线。防渗帷幕底线确定原则为：①近岸山体段主帷幕一般伸入基岩透水率小于1.0Lu界线以下5～10m，远岸山体段主帷幕伸入透水率小于3.0Lu界线以下5～10m;②地下电站上游侧主，帷幕伸入到厂房底板高程以下5～10m;③溶洞等地质缺陷部位，帷幕底线伸入岩溶发育下限以下10m。

根据以上原则，确定左岸防渗帷幕底线为：从约680m高程逐渐抬升至755m高程（厂房上游侧），穿过厂房段后，逐渐抬升至775m高程接Pt2-12y地层。

（4）灌浆孔布置。近岸山体段（厂房上游侧）一般布置2排帷幕灌浆孔，孔距2.5m;远岸山体段一般布置1排帷幕灌浆孔，孔距2.0m。F15断层及其它规模较大的溶蚀带、裂隙密集发育区等地质缺陷部位的灌浆孔根据需要适当加密、加深。

4.5经济效益分析

左岸防渗帷幕下接Pt2-12y地层方案较可研阶段提出的上接Pt2-12y地层方案，可节省帷幕灌浆进尺约36km，石方洞挖约2.4万m，衬砌混凝土约0.8万m3，围岩固结灌浆进尺约15km，经济效益显著。此外，可研阶段左岸防渗帷幕线路远岸上接段穿过Pt1-32y、Pt1-12y、Pt2-22y等灰岩地层，渗透性相对较大，且局部溶蚀发育，灌浆成幕难度较大;优化后的帷幕线路远岸段主要为Pt2-12y，层白云岩，灌浆注入量小，灌浆成幕难度相对容易。

5结论

（1）施工期地下洞室开挖揭露地质条件和专项补充勘察成果分析表明，Pt2-12y中厚层-互层大理岩化白云岩地层厚度较大，岩溶不发育，属微-弱透水层，可作为大坝左岸防渗帷幕端点依托层。

（2）三维渗流计算分析成果表明，左岸防渗帷幕下接Pt2-12y地层方案与可研阶段上接Pt2-12y地层方案相比，渗流场分布和渗漏量均差别很小，渗控措施效果均可满足工程要求。

（3）左岸防渗帷幕下接Pt2-12y地层方案洞室群稳定安全复核结果表明，帷幕线路调整后，在渗控措施作用下，近帷幕线路的地下电站、泄洪洞等洞室群建筑物可研阶段结构设计仍是安全的。

（4）左岸防渗帷幕下接Pt2-12y地层方案可缩短帷幕线路长度约329m，并避开了溶蚀发育的灰岩地层，有效降低后期钻灌难度，效益显著。

参考文献：

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[7]DL/T5195-2004水工隧洞设计规范[S].

引用本文：施华堂，顾功开，乔兴斌，肖碧.乌东德水电站左岸防渗帷幕布置方案优化研究[J].人民长江，2019，50（3）：161-165.

Optimization of anti-seepage curtain layout for left bankof W udongde Hydropower Station

SHI Huatang，GU Gongkai，QIAO Xingbang，XIAO Bi

（1.Changjiang Survey Planning Design & Research Co.，Ltd，Wuhan 430010，China;2.Construction and Management Company of Three Gorges Group，Bejing 10038，China）

Abstract：The original anti-seepage curtain on the left bank riverbed of the W udongde Hydropower Station was designed topass through the upstream side of the factory buildings，and to turn upstream to the relative waterproof layer of Pt2-12y.For thislayout，the anti-seepage effect is reliable，but the anti-seepage line is long，and further the upper connection section passesthrough the dissoluble limestone stratum，so grouting construction is more difficult.According to the geological conditions exposedduring the excavation and the special supplementary exploration results，the studies on the anti-seepage backing layer，the three-dimensional seepage calculation and the structural stability and safety review were carried out.Based on the analysis results，the arrangement of the anti-seepage curtain on the left bank was adjusted to the Pt2-12y weak permeable layer，so the curtainlength was reduced to 329 m.The research results can be a good reference for the selection of anti-seepage backing layer andthe optimization of curtain layout in similar projects.

Key words：anti-seepage curtain;backing layer;seepage calculation;optimization scheme;Wudongde Hydropower Station