四川坪头水电站厂址区渗流场特征及地下厂房防渗方案优化

【摘要】坪头水电站是四川省美姑河“一库五级”开发方案最下游的一个梯级电站。美姑河是金沙江左岸的一级支流,坪头水电站地下厂房又在金沙江溪洛渡水电站水库回水范围内。坪头水电站采用闸坝引水式开发,最大闸坝高38.5m,库容62.09万m3,左岸引水隧洞长12.7Km,利用水头298m,地下厂房布置三台机组,装机容量共180MW。该电站厂址区位于美姑河左岸,距闸址区23km,其上游以尔古沟为界,下游以龙头沟为界。地下厂房区位于龙头沟上游0.5-1km,主要水工构筑物有压力管道下平段、地下厂房、主变室、尾水洞等。该区的水工构筑物置于水平埋深10-465m,垂直埋深5-325m范围内的山体里,围岩为震旦系灯影组白云岩,岩溶裂隙发育。原设计方案中压力管道下平段、地下厂房、主变室、尾水洞底板高程分别为573.8m、569.3m、587.7m和570.8m,除主变室外,其他洞室底板高程均低于当地的地下水位(583-587m)和美姑河河水位(580.24m)。将来金沙江溪洛渡水电站建成水库蓄水至600m高程后,受溪洛渡水电站水库回水影响,坪头水电站厂址区段内的美姑河河水位将抬升至600m高程,厂址区山体内的地下水水位将整体雍高,地下水水位将高于地下厂房区内所涉及的各水工建筑物洞室的底板高程。显然,地下厂房区内各水工构筑物在施工开挖和运行过程中,都会出现地下水和美姑河河水或溪洛渡水电站库水倒灌洞室的涌水问题。因此,要保证坪头水电站厂房区内各水工构筑物的正常施工和电站运行安全,地下厂房等洞室在施工期和运行期的防渗设计非常关键。由于坪头水电站厂址区位于震旦系灯影组白云岩岩溶水系统的排泄区,如何构建厂区正确的水文地质概念模型和仿真度较高的数值模拟模型,模拟预测不同工况条件下的地下水渗流场特征及硐室涌水量是本项目遇到的挑战。为了指导工程厂址区水工构筑物的合理布置和防渗方案的科学设计,保障工程的安全施工和正常运行,通过调查、勘探、各类试验、定性和定量分析,本文主要完成了以下研究工作：(1)研究区水文地质条件和地下水系统分析：(2)岩溶裂隙发育规律研究及典型单元体大小的确定；(3)非均质各向异性三维渗流数值模拟模型的构建；(4)不同工况的施工过程和运行期渗流场特征、涌水量的模拟预测和对比分析,提出了优化的工程布置和防渗方案。取得以下主要成果和结论：1、坪头水电站厂址区位于龙头沟岩溶地下水系统的集中排泄区,该系统汇水面积约46kmm2,含水系统面积为12km2。天然条件下,地下水主要来自山区降水入渗补给,自北向南径流、向厂址区汇聚,最后以泉群的形式集中排泄于美姑河。原设计方案厂房区水工构筑物存在严重的涌水问题,常规施工中不仅会截断龙头沟地下水系统的排泄途径,而且将诱发美姑河河水的倒灌补给。根据实测涌水量及趋势推测,平水期洞室涌水量为0.38m3/s、洪水期洞室涌水量将增至约1功3/s、溪洛渡水库正常蓄水位600m时的洞室涌水量将达5.9m3/s,存在极大的工程隐患。2、厂址区水文地质调查和裂隙发育规律研究表明：(1)厂址区裂隙发育,已形成连通性较好的裂隙网络系统,有一定程度的溶蚀作用,为溶隙-裂隙型含透水介质。(2)受地层岩性和地质构造控制含水介质渗透性表现为明显的非均质各向异性；其中非均质性主要受地层岩性的控制,厚层细晶白云岩裂隙的延展性和张开性较好,渗透性相对较强,而薄层细-微晶白云岩裂隙的延展性和张开性较差,其渗透性相对较弱。各向异性主要受裂隙发育方向控制,尤其受延展性和张开性较强的层面裂隙控制,渗透性呈现出北东向明显强于北西方向,两者渗透系数相差约1.5倍。(3)含水介质渗透性随深度增大而逐渐减弱,厂址区钻孔和压水试验成果显示：480m高程以上,岩体裂隙、岩溶发育,压水试验获得的渗透率一般大于3Lu(吕荣)；450-480m高程,岩体裂隙较发育,但基本已无溶蚀现象,压水试验一般在1～3Lu(吕荣)；450m高程以下,岩体裂隙不发育,可以视为相对隔水层。3、通过地下厂房顶层排水廊道(610m高程)裂隙的系统测量和统计计算发现,本区裂隙含水介质的渗透性存在尺度效应。同一测点,当研究尺度较小时,裂隙率呈现随尺度变化而变化的特点,但随着尺度增大到一定尺度后,裂隙率基本趋于稳定,而且不同测点裂隙率达到基本稳定的尺度相差不大,一般在2.5-3.5m。据此,确定后续采用裂隙连续介质模型,刻画渗流场的典型单元体尺度为3.5m,为数值模拟单元剖分提供了依据。4、构建了适合本区条件的裂隙岩体三维非均质各向异性连续介质的概念模型和水流数值模型。通过对比国内外各种裂隙介质模型的优缺点,结合本区水文地质条件和裂隙发育特征,认为采用三维非均质各向异性连续介质模型刻画研究区的渗流场较为适合。通过详细的裂隙测量、流场分析、示踪试验、钻孔压水试验等综合技术方法,深入研究了模型边界条件、水文地质参数分区、渗透系数初值等,确保了模型的合理性。针对基岩山区地下水埋深大、难以开展地下水抽水试验的情况,利用已开挖的硐室开展水位恢复试验,获得了地下水位回升曲线,为地下水数值模型的反演识别获取了更多资料,大大提高了模型的仿真度。5、建立了厂房区水工构筑物原设计方案和拟调整抬高方案的不同防渗方案的数值模拟模型,模拟预测了50种工况的地下水渗流场特征及涌水量。包括不同边界条件,如美姑河水位在平水期、丰水期以及将来溪洛渡水库蓄水运行期的三种情况;施工期不同防渗条件,如沿美姑河局部防渗和整体防渗；运行期地下厂房的五种不同防渗帷幕深度情况；从水文地质角度提出的厂房整体就地抬升15m后的各种工况,全面展现了本工程可能出现的45种工况条件下的地下水流场特征和涌水量情况。6、基于上述各种可能工况的地下水流场和洞室涌水量预测结果,从水文地质角度对各种工况防渗帷幕工程实施的可行性及工程量,进行了全方位对比分析与优化,认为：厂房整体抬高方案的施工和运行更加安全可靠,工程建设过程和运行情况已充分证实了这个方案的可行性和合理性。坪头水电站厂房区构筑物原设计方案无论是施工期,还是运行期都存在严重的涌水问题。施工洪水期涌水量可高达76882m3/d,由此引起的渗透稳定问题十分严重,必须在美姑河沿岸及地下厂房周边(在平面上和剖面上)都实施全封闭的防渗帷幕工程,工程量和施工难度都非常巨大。全封闭防渗帷幕的深度将达160m,而本区不具备设置多层灌浆廊道的施工条件,加之本区白云岩裂隙含水介质具有沿裂隙岩溶“砂化”的特点。该类防渗帷幕工程施工难度极大,工程质量难以保证,存在较严重的工程施工和运行的安全隐患。提出地下厂房构筑物整体抬高15m的设计方案。根据对地下厂房整体抬高方案各种工况地下水渗流场数值模拟结果的对比发现,地下厂房抬高15m以后,绝大多数构筑物都提高到天然地下水位以上,即使有些工况条件下仍有洞室涌水问题,但涌水量大大减小(施工时洪水期涌水量为14456m3/d),工程施工条件得到了大大改善。运行期间虽然由于溪洛渡水库蓄水后仍有涌水问题,但此时地下厂房底板已经完成,可以通过加强厂房基础的抗渗设计标准来减轻运行期的防渗压力。总之,本次研究是针对工程建设中实际遇到的难题,从工程实际出发开展了一系列行之有效的研究和勘察与试验工作,很好地将地下水系统理论、数值模拟技术与工程实际有机结合。不仅解决了本工程的实际问题,同时对类似工程也有重要参考价值。此外,坪头水电站最终采纳了本次研究的结论和建议,对厂址区各水工建筑物的结构支护处理措施和防渗工程进行了优化设计。目前坪头水电站已正常发电两年多,运行情况良好。本文的特色与创新之处主要为：(1)通过裂隙网络测量和渗流场研究,发现研究区裂隙含水系统具有连续介质的特征,其等效连续介质的典型单元体尺寸为3.5m,为采用等效连续介质模型建立地下水数值模型以及剖分尺度提供了理论依据。(2)利用支洞排水工程,开展地下水水位恢复试验,获取水文地质参数和模型识别的资料；为类似陡峻岸坡山区,不具备抽水试验条件的地下洞室工程获取水文地质参数和模型识别提供了新的思路和方法。(3)运用地下水数值模拟方法进行大量(50种)工况模拟,优化设计地下工程及其防渗方案,解决了复杂条件下的工程难题。
【作者】田启文；
【导师】靳孟贵；
【作者基本信息】中国地质大学，水文学及水资源，2014，博士
【关键词】坪头水电站；渗流；数值模拟；典型单元体；地下厂房；防渗方案优化；

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