蓄集峡水利枢纽放空洞排水系统渗控效果比选

白正雄 武艳娜 李斌

摘 要：蓄集峡水利枢纽工程放空洞埋深厚，运行期压力水头高。为解决冬季出口闸附近排水系统冻结造成压力放空洞的外渗水在出口附近积聚无法排出，对出口闸室造成不利影响，需在放空洞段采取有效的排水降压措施。对蓄集峡水利枢纽放空洞在不同排水系统条件下的渗流分析结果表明：后置排水孔方案相比前置排水孔方案的渗控效果较好，且排水孔的渗控效果与长度成正比。在进行排水系统的设计优化比选时，应在满足渗控目标的前提下，选取经济、高效的方案。

关键词：放空洞;排水系统;渗控效果;蓄集峡水利枢纽

中图分类号：TU45 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.027

Abstract： Theemptying tunnel of Xujixia Key Water Control Project is deeply buried and the pressure water head is high during operation. In order to solve the negative effects on the outlet caused by accumulated and undischarged extravasation water near the outlet due to the freezing of the drainage system near the winter outlet gate， effective drainage and pressure reduction measures should be taken for the emptying tunnel section. Through the seepage analysis of emptying tunnel of Xujixia Key Water Control Project under different drainage systems， the results show that post-drainage opening scheme has better seepage control effect than that of the pre-drainage opening scheme and the seepage control effect of the drainage opening is proportional to the length. Therefore， the economic and efficient program measures should be chosen under meeting the requirements of the seepage control， while in design optimization comparison of the drainage system.

Key words： emptying tunnel; drainage system; seepage control effect; Xujixia Key Water Control Project

1 工程概述

蓄集峡水利枢纽工程是青海省海西州巴音河干流骨干调蓄工程，其开发任务以城镇生活和工业供水为主，兼顾发电、防洪等综合利用。水库总库容1.62亿m3，校核洪水位3 471.00 m，枢纽主要建筑物由混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水发电系统、放空洞等组成。

放空洞为引水发电洞岔洞，目的是为了在混凝土面板检修时排空面板以上库容。放空洞总长246.50 m，洞径3.20 m，前面147 m长为钢筋混凝土衬砌，后面为钢衬段。放空洞出口底高程为3 354.56 m，后接出口控制闸，闸室底板高程3 350.00 m。放空洞纵剖面如图1所示。

为解决冬季出口闸附近排水系统冻结，使得压力放空洞可能外渗的水在出口附近积聚无法排出，对出口闸室和钢衬造成不利影响，在放空洞后半段适当部位下方设置了排水洞来排水降压，排水洞内打排水孔。采用两种方案进行优化：方案1在放空洞0+167.00桩号处设置排水洞，洞段顶部设置一排排水孔，垂向长度为55 m;方案2在放空洞0+217.00桩号处设置排水洞，顶部和底部均设置一排排水孔，垂向长度分别为38 m和20 m。两种方案中排水孔的孔径为76 mm，排距2 m。笔者通过分析两种方案下放空洞的渗流场分布特征，评价排水系统的渗控效应，从而提出放空洞排水降压设计的优化建议[1]。

2 模型的建立

2.1 计算模型

根据地质条件建立放空洞纵剖面渗流计算二维有限元模型（如图2所示），对不同岩体分区、洞周衬砌、防渗帷幕进行模拟，排水孔的模拟采用子结构方法[2]。考虑放空洞（钢衬段）不透水，因此模型只模拟了放空洞（钢混段），此外标出了闸室开挖范围和两种方案排水孔的位置。

2.2 计算边界及参数取值

計算模型的边界条件为：左右侧边界、前后侧边界及底部边界为隔水边界;洞周边界和右侧河床部位为定水头边界，其他表面边界为潜在出渗边界;根据闸室部位结构特点，闸室局部范围为不透水边界（见图2）;方案1中排水孔边界为潜在出渗边界;方案2中顶部排水孔边界为潜在出渗边界，底部排水孔边界为定水头边界，水头值取孔顶高程。

根据地质勘探资料，不同岩体分区、洞周衬砌和防渗帷幕的渗透系数取值见表1。

3 渗流模拟结果分析

计算采用有限元渗流分析软件，计算原理见文献[3]，计算工况选取运行期洞室水位3 471 m（校核洪水位），河床水位为3 335 m。

3.1 无排水孔条件

仅考虑洞周衬砌和防渗帷幕的作用，无排水孔条件时，放空洞纵剖面水头等势线如图3所示。

由图3可知，在高水头作用下放空洞纵剖面的自由水面较高，水头等势线以洞室为中心向两侧及河床部位逐渐降低，岸坡下部靠近河床部位的溢出点高程为3 337.4 m。

放空洞运行期充水后对闸室影响较大。闸室上部溢出点的高程约为3 377.8 m，高于闸室底板高程（3 350.0 m）27.8 m;闸室下部受水淹没长度为29.8 m。闸室与洞段连接部位底板外侧的扬压力（水头）较大，约为17.5 m。

3.2 有排水孔条件

为优化排水孔方案设计，计算分析了两种方案放空洞纵剖面浸润线，见图4～图5和表2。排水孔方案1（前置排水孔）：在放空洞（钢混段）之后20 m设置排水洞，排水洞顶部排水孔垂向长度为55 m。排水孔方案2（后置排水孔）：在放空洞（钢混段）之后70 m设置排水洞，排水洞顶部排水孔垂向长度为38 m，底部排水孔垂向长度为20 m。

从图4和图5可以看出：设置排水孔后，放空洞纵剖面地下水位经过排水孔后明显降低，排水孔的排水降压效果显著。

方案1条件下，岸坡下部靠近河床部位的溢出点高程为3 336.0 m。闸室上部的浸润线较无排水孔条件降低较大，尤其是排水孔之后10 m左右降低最大，约为30 m。闸室上部溢出点高程约为3 365.2 m，高于闸室底板高程（3 350.0 m）15.2 m，较无排水孔条件降低12.6 m。闸室下部受水淹没长度约为20.8 m，较无排水孔条件缩短9.0 m。闸室与洞段连接部位底板外侧的扬压力（水头）为11.7 m，较无排水孔条件减小5.8 m。

方案2条件下，闸室上部的浸润线在排水孔之后8 m左右降低最大，较无排水孔条件降低14 m。闸室上部水位位于不透水边界范围内，为3 362.1 m，高于闸室底板高程12.1 m，较无排水孔条件降低15.7 m。闸室下部受水淹没长度约为10.1 m，较无排水孔条件缩短19.7 m。闸室与洞段连接部位底板外侧扬压力（水头）為6.9 m，较无排水孔条件减小10.6 m。

3.3 排水孔不同长度条件

通过方案比较分析可知，采用后置排水孔（方案2顶部排水孔长度为38 m，底部排水孔长度为20 m）的渗控效果更好。为更好地对排水孔长度进行优化，针对方案2比较分析了4种排水孔长度条件，结果见表3。

由表3可知，4种排水孔长度条件下岸坡下部溢出点高程相同，均为3 336.0 m。当底部排水孔长度为20 m时，顶部排水孔长度25 m相比38 m条件下的渗控效果有所降低，其中闸室上部水位为3 362.8 m，闸室下部受水淹没长度约为10.7 m，闸室与洞段连接部位底板外侧的扬压力（水头）为7.1 m。当顶部排水孔长度为25 m时，排水孔的渗控效果随着底部排水孔长度的减小而降低。底部排水孔长度5 m条件下，闸室上部水位为3 365.2 m，闸室下部受水淹没长度约为18.3 m，闸室底板前端处的扬压力（水头）为9.8 m。

4 结 论

通过蓄集峡水利枢纽工程放空洞纵剖面在不同排水系统条件下的渗流结果分析可知，后置排水孔方案与前置排水孔方案相比，放空洞纵剖面闸室上部的水位较低，闸室下部受水淹没的长度较短，闸室与洞段连接部位底板外侧的扬压力（水头）较小，总体渗控效果较好，且排水孔的渗控效果与长度成正比。排水系统的设计优化应在满足渗控目标的前提下，选取经济、高效的方案。

参考文献：

[1] 白正雄，武艳娜，李斌，等.蓄集峡水利枢纽工程放空洞渗流分析研究报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2018：24-66.

[2] 周创兵，陈益峰，姜清辉，等.复杂岩体多场广义耦合分析导论[M].北京：中国水利水电出版社，2008：287-290.

[3] 毛昶熙，段祥宝，李祖贻，等.渗流数值计算与程序应用[M].南京：河海大学出版社，1999：13-27.

【责任编辑 张华岩】