白鹤滩水电站地下厂区防渗排水系统设计

补约依呷，洪佳敏，高 勇

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概况及基本地质条件

1.1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游第二梯级电站，电站装机容量为16 000 MW，建成后将成为仅次于三峡工程的世界第二大水电站。水库正常蓄水位825 m，总库容约206.27亿m3。

白鹤滩水电站枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、泄洪消能设施、左右岸引水发电系统等组成，电站枢纽布置如图1所示。混凝土双曲拱坝最大坝高289 m，左右岸引水发电系统呈基本对称布置，地下厂房采用首部开发方式，两岸各布置8台单机容量为1 000 MW的水轮发电机组。地下厂房洞室群位于坝肩上游两岸山体内，包括主副厂房洞、主变洞、尾水管检修闸门室、尾水调压室、尾水隧洞等，工程规模巨大。左岸地下厂房垂直埋深约260～330 m，水平埋深约800～1 050 m；右岸地下厂房垂直埋深约420～540 m，水平埋深约480～800 m。主副厂房洞开挖尺寸为438.0 m×34.0 m×88.7 m（长×宽×高），主变洞开挖尺寸为368.0 m×21.0 m×39.5 m（长×宽×高）。

图1 白鹤滩水电站枢纽及渗控系统平面布置图Fig.1 Layout plan of Baihetan hydropower station and its seepage control system

1.2 基本地质条件及岩体渗透特性

白鹤滩水电站厂坝区主要出露二叠系上统峨眉山组（P2β）玄武岩，右岸坡顶出露三叠系下统飞仙关组砂岩、泥岩，第四系松散堆积物主要分布于河床及两岸缓坡台地上。峨眉山组（P2β）玄武岩共划分为11 个岩流层，每一个岩流层自下而上一般为熔岩、角砾熔岩、凝灰岩。熔岩主要为斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、少量微晶质玄武岩、杏仁状玄武岩。隐晶质玄武岩中发育柱状节理的称为柱状节理玄武岩。岩层为单斜构造，产状N35°～55°E，SE∠15°～18°，缓倾上游偏右岸。

厂坝区玄武岩发育层间错动带，层间错动带产状与岩流层产状一致。11 个岩流层除第一岩流层顶部无凝灰岩外，其余10 个岩流层顶部凝灰岩均有不同程度的构造错动，其中层间错动带C2、C3、C4、C5对地下厂区洞室影响较大，C2斜切左岸主副厂房洞，C3斜切右岸主副厂房洞，C4、C5位于右岸主副厂房洞顶拱及上部。层内错动带在玄武岩各岩流层内顺层发育，层内错动带的发育规模、分布、性状等具随机性。厂区主要发育有规模较大的断层F13、F14、F16、F18。

岩体的透水性与结构面的发育程度有关，层间错动带水平贯通性好，沿层面方向的渗透性较大，但由于错动泥化作用，垂直层面方向渗透性明显比水平向小很多，起到了相对隔水层的作用。根据左右岸厂区岩体的渗透特性，结合天然渗流场反演分析，按照岩性、构造、风化卸荷及埋深情况等将厂坝区岩体大致分成11 个渗透分区，各渗透分区的主渗透系数取值见表1。

表1 岩体渗透分区及渗透系数取值表Table 1 Seepage division and seepage coefficient of rock mass

虽然白鹤滩水电站地下厂区厚层状玄武岩的渗透性总体较小，但断层，层间、层内错动带，挤压破碎带和节理裂隙发育，岩体裂隙渗漏问题不容忽视，需要对地下渗流场进行深入研究，并在此基础上确定合适的厂区渗控布置方案。

2 防渗排水系统设计原则

白鹤滩水电站左右岸地下厂房均采用首部开发方式，位于坝肩上游左右岸山体内，水平埋深480～1 050 m。地下厂房不仅靠近坝址，而且距离水库也较近，加上厂坝区水文地质条件比较复杂，厂区发育软弱层间错动带连通库区。因此，综合考虑白鹤滩水电站的规模和重要性，参照类似工程防渗排水系统的设计经验，地下厂区应设置防渗排水系统，且应与大坝防渗排水系统结合布置形成整体，采取“厂区与大坝防渗排水系统结合布置，先防后排、防排结合、高水自流、底水抽排、安全可靠、留有余地”的渗控设计原则，以有效降低厂区地下水位及渗透压力，减小或基本消除洞顶和洞壁的地下水压力，提高洞室围岩的稳定性[2]。

3 三维有限元渗控计算分析

3.1 渗控布置方案

白鹤滩水电站厂区防渗排水系统平面布置如图1 所示。采用厂坝帷幕相连半包围厂房的布置方案，北侧与大坝坝肩防排系统连接，南侧折向山体内一定长度半包厂房。

立面上，厂区防渗帷幕布置在引水竖井（钢衬）上游侧。根据向上高于库水位、向下低于引水洞下平段的布置原则，防渗帷幕初拟从高程约820 m延伸至550 m，布置2排孔，排距1.5 m，孔距2 m，总深度约270 m。排水孔幕布置在防渗帷幕下游引水竖井（钢衬）与厂房上游边墙之间，设1排排水孔幕。

拟定厂区防渗排水系统平面和立面的布置方式后，最关键的是确定防渗帷幕平面上的长度和排水孔幕的间距，而防渗帷幕的长度取决于南端折向山体内的延伸长度。

3.2 渗控计算方案

为确定合理的帷幕长度和排水孔幕间距，拟定以下渗控计算方案。

3.2.1 帷幕长度比较

厂区防渗帷幕北端与坝区防渗帷幕相连，南端折向山体内一定长度以半封闭式围绕厂房洞室群布置。拟定方案1～4进行计算，帷幕折向山体长度分别为265 m、365 m、165 m 和65 m，排水孔幕间距均取3 m。

3.2.2 排水孔幕间距比较

拟定方案1～2进行计算，排水孔间距分别为3.0 m、4.5 m，帷幕折向山体长度均取265 m。

3.3 有限元计算模型

左右岸厂区渗流控制计算时，岩体、裂隙等渗透介质按等效连续各向异性介质进行处理分析，排水孔幕采用各向异性多孔介质的密集排水孔模拟方法。根据地形地貌、工程地质条件、枢纽布置等基本资料，沿金沙江河床中心线左右分开，分别建立左、右岸三维有限元模型，见图2～3。

图2 枢纽区左岸三维有限元模型Fig.2 The three-dimensional finite element model of left bank

图3 枢纽区右岸三维有限元模型Fig.3 The three-dimensional finite element model of right bank

模型上游断面沿河床中心线取至距坝轴线约1 650 m，下游断面沿河床中心线取至距坝轴线约2 100 m，左岸断面取至距河床中心线约1 800 m，右岸断面取至距河床中心线约1 500 m，模型底面取至高程0.000 m，向上一直取至地表面。

模型对枢纽区各地层（岩流层P2β1～P2β11）、控制性结构面（断层F14、F16、F17，层间错动带C2、C3、C4、C5，层内错动带 LS331～LS337、RS3318）和水工结构均进行了模拟，其中水工结构包括拱坝、主副厂房洞、主变洞、尾水调压室、灌浆廊道、排水廊道、引水隧洞、泄洪洞、导流洞和尾水隧洞等主要地下洞室。

3.4 渗控计算边界条件及参数

白鹤滩水电站地下厂区渗流场计算的边界条件为：左右岸截取边界为定水头边界，水头值通过天然渗流场反演分析计算确定；大坝上游库水淹没区域取定水头边界，水头值为正常蓄水位825.00 m；大坝下游河道取定水头边界，水头值为601.50 m（对应满发工况）；底边界均为隔水边界；高于库水位（上游侧）和下游水位（下游侧）的地表设为可出渗边界；河床中心线边界设为不透水边界；引水压力管道按不透水边界计算；其他地下洞室壁面按透水边界计算。各岩层、结构面及防渗帷幕的渗透系数取值见表1。

3.5 计算结果分析

3.5.1 帷幕长度渗控计算结果

正常蓄水位条件下，左右岸主副厂房洞纵剖面4 个渗控方案的渗流场计算结果如图4～5 所示，地下厂区渗流量计算结果见表2。

图4 正常蓄水位条件下左岸主副厂房洞纵剖面渗流场分布图Fig. 4 Longitudinal seepage field of main and auxiliary powerhouse tunnels on left bank under normal water level

由图4～5可见，4个渗控方案中，在主副厂房洞中部及北侧的地下水位都得到了很好的控制，地下水位均降到主厂房顶拱以下，说明厂坝帷幕结合的防渗方式效果较好。主副厂房洞南端位置的渗流场有明显差别，说明转向帷幕的长度对主副厂房洞南侧的影响较大。转向帷幕越长，主副厂房洞南侧的地下水位越低，南侧端墙的渗透压力也越小。转向帷幕缩短后，地下厂房南端的地下水位有明显的升高。当帷幕排水孔幕缩短100 m时，主副厂房洞南端有部分洞室顶部处于地下水位线以下，当帷幕排水孔幕缩短200 m时，主副厂房洞南端洞室顶部的地下水位升高幅度更大。

从表2 中也可以看出，南端转向帷幕越长，厂区渗漏量越小。

表2 地下厂区渗流量计算结果Table 2 Calculation results of seepage flow in powerhouse area

上述结果表明，左右岸地下厂区南端转向帷幕长度不宜小于方案1中的长度（265 m）。

图5 正常蓄水位条件下右岸主副厂房洞纵剖面渗流场分布图Fig. 5 Longitudinal seepage field of main and auxiliary powerhouse tunnels on right bank under normal water level

3.5.2 排水孔幕间距渗控计算结果

左右岸地下厂区南端转向帷幕长度以折向山体内延伸265 m为基准进行计算，排水系统排水孔间距从3.0 m（方案1）增大到4.5 m（方案2）后，由于厂区排水系统的减弱，地下厂区周边的地下水位有一定的升高。左岸主副厂房洞的南端位于地下水位以下（见图6），右岸主副厂房洞的南端岩体地下水位也有一定幅度的抬高（见图7）。

图6 地下水位升高时左岸主副厂房洞纵剖面渗流场分布图Fig. 6 Longitudinal seepage field of main and auxiliary powerhouse tunnels on left bank when groundwater level rises

图7 地下水位升高时右岸主副厂房洞纵剖面渗流场分布图Fig. 7 Longitudinal seepage field of main and auxiliary powerhouse tunnels on right bank when groundwater level rises

不同排水孔幕间距方案下渗流量的计算结果见表3。从表3可以看出，排水孔间距增大后，左右岸地下厂区的总渗流量与排水孔幕出渗流量均明显减小，而洞室壁面出渗流量有所增大，不利于厂区洞室群的运行。

表3 不同排水孔幕间距方案下渗流量计算结果Table 3 Calculation results of seepage flow in schemes with different drainage hole spacing

根据计算结果，排水孔间距宜按3.0 m设计，实际实施中可视岩壁渗水情况，按“渗水大，多布孔；渗水小，少布孔”的原则，在岩壁上布设排水孔。

4 地下厂区防渗排水系统设计

白鹤滩左右岸地下厂区三维有限元渗控计算结果表明：厂坝帷幕结合的防渗方式效果较好，左右岸地下厂区南端帷幕折入山体长度不宜小于265 m，排水孔间距宜采用3.0 m。据此，结合左右岸厂区地质条件、厂引发电系统洞室群布置方案和类似工程经验，综合考虑确定了白鹤滩地下厂区防渗排水系统设计方案。

4.1 防渗帷幕设计方案

白鹤滩水电站地下厂区防渗帷幕采用厂坝帷幕相连接并半包围厂房的布置方案，左右岸厂区防渗帷幕北端与大坝帷幕相接，南端帷幕折向山体并穿过连通库区的3号公路和4号公路封堵体各60 m，折向山体延伸长度达400 m。立面上（如图8 所示），厂区防渗帷幕布置在引水竖井（钢衬）上游侧，距离地下厂房上游边墙86.5 m，高程825～590 m 共布置5 层灌浆廊道，将帷幕分成5 段进行施工，灌浆廊道开挖断面4.0 m×4.5 m。防渗帷幕从高程825 m 延伸至引水下平洞底板以下高程550 m，布置2排，排距1.5 m，孔距2 m，总深度约275 m。

4.2 排水系统设计方案

白鹤滩水电站地下厂区排水系统布置在防渗帷幕下游引水竖井（钢衬）与地下厂房之间，距离地下厂房上游边墙30 m，高程825～555 m 共布置7 层排水廊道，其中第1层排水廊道与灌浆廊道合二为一布置，地下厂房顶拱以上的第2～4层排水廊道基本平行于灌浆廊道布置，第5～7层围绕地下厂房和主变洞四周布置，排水廊道开挖断面3.0 m×3.5 m。位于地下厂房上游的第2～7层排水廊道系统布置1排φ90排水孔，间距3 m，同时在地下厂房和主变洞四周第4～6层排水廊道中也系统布置1排φ90排水孔，间距3 m，尽量将防渗帷幕下游的地下水由排水孔和排水廊道引排，如图8所示。地下厂房和主变洞岩壁上也系统布置φ65排水孔，L=5 m，间距4.5 m。

图8 引水发电系统纵剖面图Fig.8 Longitudinal section of diversion and power generation system

4.3 主要渗漏通道处理

左右岸地下厂区洞室群主要受层间错动带C2、C3、C4、C5影响，这些层间错动带产状基本与岩流层一致，总体上平直，局部略有起伏，厚度5～40 cm 不等。水库正常蓄水位825 m，蓄水后水头超过200 m。根据现场渗透变形试验结果，层间错动带渗透系数在2.0×10-4～2.0×10-3cm/s 之间，临界坡降仅2～3，在高水头下可能沿层间错动带产生渗漏及渗透变形。虽然地下厂区防渗帷幕穿过上述层间错动带，但是灌浆对含泥岩屑型错动带的改造效果有限，为了保证地下厂区防渗体系的防渗效果，提高层间错动带的防渗能力和渗透稳定性，防止形成集中渗漏通道，在防渗帷幕上游沿层间错动带布置专门的截渗洞，并加强洞周灌浆，设短帷幕与主防渗帷幕相连接。

左岸地下厂区层间错动带C2截渗洞平行布置于第6层灌浆廊道上游侧10 m位置，基本平行于第6层灌浆廊道布置，距离地下厂房上游边墙100 m。右岸地下厂区层间错动带C3、C4、C5截渗洞平行布置于厂区灌浆廊道上游侧15 m 位置，距离地下厂房上游边墙101.5 m。平面上，3条截渗洞主要布置在右岸主厂房所在范围内；立面上，3条截渗洞主要布置在压力管道上平段和地下厂房基坑底板之间的范围。

截渗洞断面尺寸均为4 m×4.5 m，其布置形式如图8 中C2截渗洞所示。截渗洞结构设计与施工顺序如下：爆破开挖并喷锚支护→洞周衬砌混凝土浇筑→衬砌顶拱回填灌浆→洞周固结灌浆→底板加强帷幕和下游边墙衔接帷幕钻灌→二期回填混凝土浇筑并随仓完成顶拱回填兼接触灌浆→厂区防渗帷幕钻灌。

5 结语

（1）白鹤滩水电站地下厂区厚层状玄武岩的总体渗透性虽然较小，但断层，层间、层内错动带，挤压破碎带和节理裂隙发育，岩体裂隙渗漏问题不容忽视。此外，白鹤滩水电站左右岸地下厂房均采用首部开发方式，地下厂房洞室群均位于坝肩上游库区正常蓄水位（825 m）以下的玄武岩山体中，不仅靠近坝址，而且距离上游水库较近。据此，综合考虑白鹤滩水电站的规模和重要性，在地下厂房上游设置防渗排水系统并与大坝防渗排水系统相结合形成整体是必要的。

（2）根据本工程的水文地质条件和地下厂区洞室群的布置特点，地下厂区采取“先防后排、防排结合、高水自流、底水抽排、安全可靠、留有余地”的渗控设计原则，首先在引水竖井（钢衬）与上游水库之间设置一道防渗帷幕，其次在引水竖井与下游地下厂房之间设置一道排水孔幕，最后在地下厂房、主变洞洞顶和四周设置系统排水孔幕。经三维有限元渗控计算分析，结果显示所采取的渗控措施具有良好的效果，有效降低了厂区地下水位及渗透压力，减小或基本消除了洞顶和洞壁的地下水压力，提高了洞室围岩的稳定性。

（3）左右岸地下厂区出露的层间错动带C2、C3、C4、C5渗透系数在2.0×10-4～2.0×10-3cm/s 之间，临界坡降仅2～3，在高水头下可能沿层间错动带产生渗漏及渗透变形，水库蓄水后可能形成渗漏通道，是对地下厂房最不利的渗漏通道。结合各层间错动带工程特性分析研究结果，以及与地下厂房相对位置关系，对左岸地下厂区层间错动带C2和右岸地下厂区层间错动带C3、C4、C5沿防渗帷幕轴线上游布置截渗洞，以阻断渗漏通道，该方法经济合理。