烏東德水電站左岸防滲帷幕布置方案優(yōu)化研究

施華堂　顧功開　喬興斌　肖碧

摘要：烏東德水電站在可研階段設(shè)計(jì)的是左岸防滲帷幕穿過廠房上游側(cè)后，向上游轉(zhuǎn)折接Pt2-12y相對(duì)隔水層，防滲依托可靠，但防滲線路長(zhǎng)、工程量大，且上接線路穿過溶蝕發(fā)育的灰?guī)r地層，灌漿施工難度較大。根據(jù)施工期開挖揭露的地質(zhì)條件和專項(xiàng)補(bǔ)充勘探成果，開展了防滲依托層論證、三維滲流計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全復(fù)核等研究，將左岸防滲帷幕布置調(diào)整為下接Pt2-12y弱透水層，縮短帷幕線路長(zhǎng)度達(dá)329m，效益顯著。研究成果對(duì)同類工程防滲依托層的選擇及帷幕布置優(yōu)化具有較好的參考意義。

關(guān)鍵詞：防滲帷幕;防滲依托層;滲流計(jì)算;防滲帷幕優(yōu)化;烏東德水電站

中圖法分類號(hào)：TV543

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.028

1工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段（攀枝花至宜賓）4個(gè)梯級(jí)一烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的最上游梯級(jí)，壩址左岸隸屬于四川省會(huì)東縣，右岸隸屬于云南省祿勸縣[1]。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)等。水庫正常蓄水位975.00m，總庫容74.08億m3。壩址區(qū)主要出露會(huì)理群落雪組（P2）和因民組（Pt2，）地層，巖性為灰?guī)r、白云巖、大理巖化白云巖、大理巖、千枚巖等。地層整體呈單斜狀，巖層走向與金沙江流向呈大角度斜交，陡傾下游，傾角60°～80。巖體中裂隙總體不甚發(fā)育，透水性以微透水-弱透水為主，中等-強(qiáng)透水性巖體主要受溶蝕、卸荷影響所致，

可研階段，烏東德水電站擬采用的是廠壩聯(lián)合防滲方案，河床部位防滲帷幕沿大壩基礎(chǔ)廊道布置，左岸防滲帷幕穿過廠房上游側(cè)后，向上游接Pt2-12y極薄層-薄層大理巖化白云巖，層間多夾千枚巖薄膜，巖溶不發(fā)育，屬相對(duì)隔水層，穩(wěn)妥可靠。防滲帷幕線路全長(zhǎng)約2194m，防滲面積約44.4萬m2，帷幕灌漿總進(jìn)尺約400km。帷幕灌漿工程具有線路長(zhǎng)、工程量大、防滲標(biāo)準(zhǔn)高等特點(diǎn)，是制約發(fā)電工期的關(guān)鍵因素之一。

2優(yōu)化研究的必要性

（1）防滲帷幕穿越地下電站引水隧洞和泄洪洞后，上接Pt2-12y線路再穿過Pt1-32y、Pt1-12y、Pt2-22y等灰?guī)r地層，局部溶蝕較為發(fā)育，灌漿施工難度較大。施工階段大量洞室開挖揭露地質(zhì)條件分析認(rèn)為，Pt2-12y大理巖化白云巖巖溶不發(fā)育，透水率總體較小，存在作為防滲依托層的可能性。

（2）左岸防滲線路穿越建筑物后，上接Pt2-12y，地層段的線路長(zhǎng)度達(dá)579m，相應(yīng)鉆灌工程量約65km。若帷幕下接Pt2-12y地層的方案成立，可大幅縮短帷幕線路長(zhǎng)度和鉆灌工程量。

（3）左岸防滲帷幕若采用下接Pt2-12y地層方案，帷幕距離地下洞室群的距離較近，對(duì)地下廠房及泄洪洞等地下洞室群結(jié)構(gòu)的影響有必要通過三維滲流計(jì)算分析后進(jìn)行復(fù)核與論證。

綜合考慮施工期揭露的地質(zhì)條件、Pt2-12y地層專項(xiàng)補(bǔ)充勘察成果及復(fù)雜洞室群條件下的三維滲流場(chǎng)成果，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全的前提下，研究利用弱透水Pt2-12y地層進(jìn)行左岸防滲帷幕布置的可行性，這對(duì)節(jié)省工程投資和降低施工難度是十分必要的。

3帷幕布置優(yōu)化研究的總體原則

帷幕布置優(yōu)化一般主要從帷幕線路布置和灌漿孔布置兩方面進(jìn)行[2-4]。灌漿孔的布置優(yōu)化應(yīng)結(jié)合先導(dǎo)孔成果、防滲要求分析確定合理的帷幕底線及灌漿孔深，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)與灌漿試驗(yàn)成果確定最優(yōu)孔排距，并在灌漿工程實(shí)施過程中動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，必要時(shí)可分期實(shí)施灌漿帷幕，分步檢查灌漿效果。帷幕線路的布置優(yōu)化應(yīng)采取勘察、物探、試驗(yàn)等綜合手段，充分查明壩址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，高度重視溶蝕發(fā)育區(qū)、斷層破碎帶等強(qiáng)透水性部位的帷幕布置，并應(yīng)結(jié)合工程布置、結(jié)構(gòu)安全等進(jìn)行綜合分析。帷幕線路布置優(yōu)化研究的原則一般如下。

（1）防滲帷幕端點(diǎn)宜深入防滲依托層一定距離[5-6]，且防滲依托層應(yīng)有一定的厚度。當(dāng)大壩兩岸山體內(nèi)高于正常蓄水位的穩(wěn)定地下水距離河岸較遠(yuǎn)時(shí)，帷幕防滲終端可采取接防滲依托層（隔水層或相對(duì)隔水層）的方案;考慮帷幕永久運(yùn)行安全，厚度太薄的隔水層或相對(duì)隔水層不宜作為防滲依托層。

（2）防滲帷幕線路調(diào)整應(yīng)不影響建筑物的結(jié)構(gòu)安全。防滲帷幕線路調(diào)整后，應(yīng)不影響大壩、地下洞室等建筑物結(jié)構(gòu)安全，或建筑物采取一定措施后仍可滿足結(jié)構(gòu)安全要求，且投資相對(duì)節(jié)省。

（3）防滲帷幕線路調(diào)整后滲漏量應(yīng)盡量小。為降低揚(yáng)壓力，提高圍巖或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，帷幕后常設(shè)置有基巖排水孔。排水措施對(duì)結(jié)構(gòu)安全有利，但滲流量過大將加大運(yùn)行成本，同時(shí)滲流量超過設(shè)計(jì)抽排能力時(shí)，對(duì)工程運(yùn)行安全不利。因此，帷幕線路調(diào)整后的滲漏量應(yīng)盡量小，且滿足抽排設(shè)施排水能力的要求。

（4）防滲帷幕線路宜盡量短。選擇較短的防滲帷幕線路可以減少帷幕工程量和投資，縮短帷幕灌漿工程工期，也是防滲帷幕布置優(yōu)化調(diào)整的主要目標(biāo)。

（5）防滲帷幕線路應(yīng)截?cái)鄶鄬拥鹊刭|(zhì)缺陷，且地質(zhì)缺陷部位應(yīng)確保幕體質(zhì)量。為防止庫水經(jīng)過斷層等地質(zhì)缺陷向下游滲漏，帷幕線路布置應(yīng)進(jìn)行專門分析，并盡可能穿過地質(zhì)缺陷部位。同時(shí)，為確保幕體質(zhì)量和耐久性，宜對(duì)斷層及影響帶等部位視情況加密灌漿處理。

4優(yōu)化研究的內(nèi)容

4.1防滲帷幕依托層論證

針對(duì)Pt2-12y地層開展專項(xiàng)補(bǔ)充勘察，采取勘探平硐、鉆孔、壓水、巖石鏡鑒、水質(zhì)分析、同位素測(cè)定等綜合手段，并結(jié)合施工期大量洞室素描成果，重點(diǎn)分析Pt2-12y地層的分布特征、巖溶發(fā)育情況、巖體透水性及下接線路上雷家灣溝斷層（F15）的展布特征、滲透性等，對(duì)Pt2-12y地層作為防滲依托層進(jìn)行論證分析，主要結(jié)論如下。

（1）Pt2-12y地層厚約96m，巖性為中厚層-互層夾薄層和厚層灰白色大理巖化硅質(zhì)白云巖（層間多夾娟云母）?？裳屑把a(bǔ)充勘探共取樣30組進(jìn)行巖石礦化分析，Pt2-12y主要礦物為白云石，占50%～85%，平均71.45%;其次為石英，占20%～35%，平均21%;酸不溶物平均約占28%，巖石的可溶性屬弱。

（2）左岸施工期地質(zhì)素描統(tǒng)計(jì)分析表明：高低線過壩路隧洞、導(dǎo)流洞及其施工支洞、引水發(fā)電系統(tǒng)及其施工支洞、泄洪洞及施工支洞等穿過Pt2-12y及同類地層長(zhǎng)度達(dá)3185.7m，均未揭露到溶洞，進(jìn)一步表明P2，地層中巖溶不發(fā)育。

（3）可研及專項(xiàng)補(bǔ)充勘探中，Pt2-12y及同類地層合計(jì)鉆孔17個(gè)，壓水試驗(yàn)440段，巖體滲透性q<1Lu有238段，占54.09%;1～3Lu的有181段，占41.14%;q≥3Lu僅21段，占4.77%.q<3Lu累計(jì)達(dá)95.23%，q>3Lu的壓水試驗(yàn)段主要是局部巖體破碎或臨近岸坡巖體卸荷影響所致。可見，Pt2-12y地層滲透性為微-弱透水。此外，水平鉆孔壓水試驗(yàn)7段，平均值為5.8Lu，平行層面的巖體透水性大于垂直層面的巖體的透水性，巖體具有各向異性特性。

（4）F15斷層充填非巖溶化的輝綠巖脈，總體屬微透水巖體，斷層下盤靠近斷層處巖體局部為弱透水。分析認(rèn)為輝綠巖脈為深部巖漿侵入，其侵入及冷卻過程會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生破壞，局部地段可能透水性較強(qiáng)。

綜上所述，Pt2-12y地層厚度大，大理巖化硅質(zhì)白云巖不易溶解，施工期內(nèi)揭露該地層內(nèi)巖溶不發(fā)育，鉆孔壓水試驗(yàn)表明地層滲透性為微-弱透水，因此Pt2-12y地層可作為大壩左岸防滲帷幕端點(diǎn)依托層，并建議帷幕端點(diǎn)應(yīng)穿過F15斷層進(jìn)入山內(nèi)側(cè)一定距離。

4.2三維滲流計(jì)算分析

Pt2-12y地層經(jīng)論證可作為防滲依托層，但下接Pt2-12y地層方案的滲控措施效果能否滿足工程要求，需開展三維滲流計(jì)算進(jìn)行分析。同時(shí)，還需對(duì)帷幕延伸長(zhǎng)度進(jìn)行敏感性分析，以探索優(yōu)化的可能程度。

左岸滲流計(jì)算方案不同帷幕線路布置見圖1。考慮不同帷幕線路以及運(yùn)行期和檢修期不同邊界條件，滲流計(jì)算分析方案具體見表1，三維滲流計(jì)算方案F1～F4特征部位水位分布見表2，排水孔滲流量計(jì)算成果見表3。

（1）不同帷幕端點(diǎn)防滲依托層計(jì)算成果分析。在運(yùn)行期正常水位工況下，帷幕線下接Pt2-12y地層方案（F2）河床壩段主帷幕前水位為890.1m，主帷幕后水位為744.8m，水位自由面在穿過防滲帷幕及排水幕后有大幅度的降低。大壩主排水孔幕滲流量約為300.5m'/h（左岸），廠房區(qū)封閉排水滲流量約306.2m'/h，總體滲流量均不大。由此可見，帷幕線路下接Pt2-12y地層的滲控措施取得了較好的效果。

帷幕線路下接Pt2-12y地層與帷幕線上接Pt2-12y地層相比較，滲流場(chǎng)分布及各部位滲流量基本相同，滲控效果均比較顯著，說明防滲帷幕下接Pt2-12y地層與上接Pt2-12y地層均可滿足工程防滲要求。

（2）帷幕線路長(zhǎng)度敏感性分析。在運(yùn)行期正常蓄水位工況下，帷幕線下接Pt2-12y地層并穿過F15斷層，轉(zhuǎn)折段長(zhǎng)310m（方案F3）與轉(zhuǎn)折段長(zhǎng)250m（方案F2）相比較，滲流場(chǎng)分布及各部位滲流量相同。分析認(rèn)為，Pt2-12y地層微-弱透水，防滲帷幕穿過F15斷層后繼續(xù)延伸對(duì)巖體滲透性降低效果十分有限。因此，方案F3較方案F2對(duì)進(jìn)一步改善滲控措施效果的作用十分有限，推薦帷幕線路采用轉(zhuǎn)折段長(zhǎng)250m。

（3）泄洪洞檢修期工況分析（方案F4）。采用推薦帷幕線路，泄洪洞檢修期（方案F4）與正常運(yùn)行期（方案F2）相比較，滲流場(chǎng)分布變化較小，各特征點(diǎn)水頭變化值為-2.3～-0.1m，各部位滲流量變化值為-2.6～-28.0m3/h，特征點(diǎn)水頭和滲流量均稍有減小。分析認(rèn)為：計(jì)算模型中泄洪洞混凝土襯砌取半透水邊界，水頭與庫水一致，而泄洪洞檢修工況條件下，進(jìn)水塔檢修閘門下閘，泄洪洞內(nèi)無水，減少了滲流補(bǔ)給源，因此，檢修工況條件下，滲流量和特征點(diǎn)水頭略有降低，對(duì)地下廠房洞室穩(wěn)定和滲流量控制有利。此外，由于推薦帷幕線路與泄洪洞近平行布置，最小距離僅約50m，滲流作用對(duì)幕后泄洪洞洞室穩(wěn)定可能存在一定影響，需要進(jìn)一步分析、復(fù)核。

（4）水墊塘結(jié)構(gòu)型式調(diào)整后三維滲流計(jì)算復(fù)核。烏東德水電站實(shí)施過程中，壩后水墊塘結(jié)構(gòu)型式由“封閉式”結(jié)構(gòu)型式調(diào)整為“上部封閉，下部透水”復(fù)合結(jié)構(gòu)型式后，相應(yīng)取消水墊塘底部?jī)蓚?cè)封閉帷幕和排水系統(tǒng)，并在大壩下游壩趾部位855m高程以下增設(shè)封閉帷幕。為此，在方案F2的基礎(chǔ)上修改三維滲流計(jì)算模型并進(jìn)行了復(fù)核，復(fù)核結(jié)果表明，水墊塘結(jié)構(gòu)型式調(diào)整后，滲流場(chǎng)分布差別較小，抽排量有所增加，但仍在可研階段設(shè)計(jì)抽排設(shè)施排水能力范圍之內(nèi)。

三維滲流計(jì)算結(jié)果表明，與可研階段上接Pt2-12y地層方案相比，下接Pt2-12y地層方案滲流場(chǎng)分布和滲漏量差別均較小，滲控措施均滿足工程要求;防滲主帷幕端點(diǎn)穿過F15斷層后，不同延伸長(zhǎng)度對(duì)滲流控制基本無影響，推薦采用轉(zhuǎn)折段長(zhǎng)250m方案。

4.3地下洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全復(fù)核

根據(jù)三維滲流計(jì)算成果，復(fù)核分析左岸防滲帷幕布置調(diào)整后對(duì)地下洞室群建筑物的結(jié)構(gòu)安全的影響，包括左岸地下廠房、左岸泄洪洞等。

（1）地下廠房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全復(fù)核。左岸防滲帷幕采用下接Pt2-12y地層方案時(shí)，主廠房底部自由面高程最大為813.1m，下游邊墻水位最大為815.2m，均低于主廠房發(fā)電機(jī)層底板高程（823.2m），略高于水輪機(jī)層高程為811.35m，且與可研階段防滲帷幕采用上接Pt2-12y地層方案的水位值基本相同。分析認(rèn)為帷幕線路調(diào)整后，地下廠房洞室群圍巖仍是穩(wěn)定安全的。

（2）泄洪洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全復(fù)核。泄洪洞永久運(yùn)行工況下，外水壓力為有利荷載，根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5195-2004）規(guī)定[7]，當(dāng)?shù)叵滤畨毫?duì)結(jié)構(gòu)受力有利時(shí)，作用分析系數(shù)取0，即可以不考慮外水壓力的作用;泄洪洞檢修工況下，外水壓力為不利荷載，作用分析系數(shù)取1.0，應(yīng)考慮外水壓力對(duì)泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)的影響。因此，主要針對(duì)泄洪洞檢修工況對(duì)泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響進(jìn)行復(fù)核。

針對(duì)泄洪洞檢修工況，分析可研階段結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)外水壓力水頭取值，以及帷幕上接Pt2-12y地層與下接Pt2-12y地層三維滲流計(jì)算外水壓力水頭（見圖2）。

從圖2可以看出，帷幕下接Pt2-12y地層與帷幕上接Pt2-12y地層三維滲流計(jì)算外水壓力水頭值基本相同，而且均小于可研階段襯砌配筋計(jì)算外水壓力水頭取值。因此，左岸防滲帷幕采用下接Pt2-12y地層方案時(shí)，可研階段泄洪洞襯砌配筋設(shè)計(jì)仍滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

4.4防滲帷幕布置優(yōu)化方案

根據(jù)上述研究成果，左岸防滲帷幕布置優(yōu)化方案如下。

（1）防滲帷幕線路平面布置。左岸防滲帷幕出壩端后，垂直穿越地下電站引水隧洞下平段，出廠房段后垂直泄洪洞軸線方向穿越3條泄洪洞和2條導(dǎo)流洞，再往山內(nèi)折向下游，穿過F15斷層及影響帶約15m，接至Pt2-12y地層。左岸防滲帷幕優(yōu)化線路全長(zhǎng)約730m，相比可研階段（1059m）縮短329m。

（2）防滲標(biāo)準(zhǔn)。左岸防滲帷幕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和可研階段相同，即：近岸山體段（雙排帷幕區(qū)）灌后基巖透水率q≤1Lu;遠(yuǎn)岸山體段（單排帷幕區(qū)）灌后基巖透水率q≤3Lu。

（3）防滲帷幕底線。防滲帷幕底線確定原則為：①近岸山體段主帷幕一般伸入基巖透水率小于1.0Lu界線以下5～10m，遠(yuǎn)岸山體段主帷幕伸入透水率小于3.0Lu界線以下5～10m;②地下電站上游側(cè)主，帷幕伸入到廠房底板高程以下5～10m;③溶洞等地質(zhì)缺陷部位，帷幕底線伸入巖溶發(fā)育下限以下10m。

根據(jù)以上原則，確定左岸防滲帷幕底線為：從約680m高程逐漸抬升至755m高程（廠房上游側(cè)），穿過廠房段后，逐漸抬升至775m高程接Pt2-12y地層。

（4）灌漿孔布置。近岸山體段（廠房上游側(cè)）一般布置2排帷幕灌漿孔，孔距2.5m;遠(yuǎn)岸山體段一般布置1排帷幕灌漿孔，孔距2.0m。F15斷層及其它規(guī)模較大的溶蝕帶、裂隙密集發(fā)育區(qū)等地質(zhì)缺陷部位的灌漿孔根據(jù)需要適當(dāng)加密、加深。

4.5經(jīng)濟(jì)效益分析

左岸防滲帷幕下接Pt2-12y地層方案較可研階段提出的上接Pt2-12y地層方案，可節(jié)省帷幕灌漿進(jìn)尺約36km，石方洞挖約2.4萬m，襯砌混凝土約0.8萬m3，圍巖固結(jié)灌漿進(jìn)尺約15km，經(jīng)濟(jì)效益顯著。此外，可研階段左岸防滲帷幕線路遠(yuǎn)岸上接段穿過Pt1-32y、Pt1-12y、Pt2-22y等灰?guī)r地層，滲透性相對(duì)較大，且局部溶蝕發(fā)育，灌漿成幕難度較大;優(yōu)化后的帷幕線路遠(yuǎn)岸段主要為Pt2-12y，層白云巖，灌漿注入量小，灌漿成幕難度相對(duì)容易。

5結(jié)論

（1）施工期地下洞室開挖揭露地質(zhì)條件和專項(xiàng)補(bǔ)充勘察成果分析表明，Pt2-12y中厚層-互層大理巖化白云巖地層厚度較大，巖溶不發(fā)育，屬微-弱透水層，可作為大壩左岸防滲帷幕端點(diǎn)依托層。

（2）三維滲流計(jì)算分析成果表明，左岸防滲帷幕下接Pt2-12y地層方案與可研階段上接Pt2-12y地層方案相比，滲流場(chǎng)分布和滲漏量均差別很小，滲控措施效果均可滿足工程要求。

（3）左岸防滲帷幕下接Pt2-12y地層方案洞室群穩(wěn)定安全復(fù)核結(jié)果表明，帷幕線路調(diào)整后，在滲控措施作用下，近帷幕線路的地下電站、泄洪洞等洞室群建筑物可研階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍是安全的。

（4）左岸防滲帷幕下接Pt2-12y地層方案可縮短帷幕線路長(zhǎng)度約329m，并避開了溶蝕發(fā)育的灰?guī)r地層，有效降低后期鉆灌難度，效益顯著。

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引用本文：施華堂，顧功開，喬興斌，肖碧.烏東德水電站左岸防滲帷幕布置方案優(yōu)化研究[J].人民長(zhǎng)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