蓄集峽水利樞紐放空洞排水系統(tǒng)滲控效果比選

白正雄 武艷娜 李斌

摘 要：蓄集峽水利樞紐工程放空洞埋深厚，運(yùn)行期壓力水頭高。為解決冬季出口閘附近排水系統(tǒng)凍結(jié)造成壓力放空洞的外滲水在出口附近積聚無法排出，對(duì)出口閘室造成不利影響，需在放空洞段采取有效的排水降壓措施。對(duì)蓄集峽水利樞紐放空洞在不同排水系統(tǒng)條件下的滲流分析結(jié)果表明：后置排水孔方案相比前置排水孔方案的滲控效果較好，且排水孔的滲控效果與長(zhǎng)度成正比。在進(jìn)行排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化比選時(shí)，應(yīng)在滿足滲控目標(biāo)的前提下，選取經(jīng)濟(jì)、高效的方案。

關(guān)鍵詞：放空洞;排水系統(tǒng);滲控效果;蓄集峽水利樞紐

中圖分類號(hào)：TU45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

蓄集峽水利樞紐工程是青海省海西州巴音河干流骨干調(diào)蓄工程，其開發(fā)任務(wù)以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水為主，兼顧發(fā)電、防洪等綜合利用。水庫(kù)總庫(kù)容1.62億m3，校核洪水位3 471.00 m，樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、放空洞等組成。

放空洞為引水發(fā)電洞岔洞，目的是為了在混凝土面板檢修時(shí)排空面板以上庫(kù)容。放空洞總長(zhǎng)246.50 m，洞徑3.20 m，前面147 m長(zhǎng)為鋼筋混凝土襯砌，后面為鋼襯段。放空洞出口底高程為3 354.56 m，后接出口控制閘，閘室底板高程3 350.00 m。放空洞縱剖面如圖1所示。

為解決冬季出口閘附近排水系統(tǒng)凍結(jié)，使得壓力放空洞可能外滲的水在出口附近積聚無法排出，對(duì)出口閘室和鋼襯造成不利影響，在放空洞后半段適當(dāng)部位下方設(shè)置了排水洞來排水降壓，排水洞內(nèi)打排水孔。采用兩種方案進(jìn)行優(yōu)化：方案1在放空洞0+167.00樁號(hào)處設(shè)置排水洞，洞段頂部設(shè)置一排排水孔，垂向長(zhǎng)度為55 m;方案2在放空洞0+217.00樁號(hào)處設(shè)置排水洞，頂部和底部均設(shè)置一排排水孔，垂向長(zhǎng)度分別為38 m和20 m。兩種方案中排水孔的孔徑為76 mm，排距2 m。筆者通過分析兩種方案下放空洞的滲流場(chǎng)分布特征，評(píng)價(jià)排水系統(tǒng)的滲控效應(yīng)，從而提出放空洞排水降壓設(shè)計(jì)的優(yōu)化建議[1]。

2 模型的建立

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)條件建立放空洞縱剖面滲流計(jì)算二維有限元模型（如圖2所示），對(duì)不同巖體分區(qū)、洞周襯砌、防滲帷幕進(jìn)行模擬，排水孔的模擬采用子結(jié)構(gòu)方法[2]?？紤]放空洞（鋼襯段）不透水，因此模型只模擬了放空洞（鋼混段），此外標(biāo)出了閘室開挖范圍和兩種方案排水孔的位置。

2.2 計(jì)算邊界及參數(shù)取值

計(jì)算模型的邊界條件為：左右側(cè)邊界、前后側(cè)邊界及底部邊界為隔水邊界;洞周邊界和右側(cè)河床部位為定水頭邊界，其他表面邊界為潛在出滲邊界;根據(jù)閘室部位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，閘室局部范圍為不透水邊界（見圖2）;方案1中排水孔邊界為潛在出滲邊界;方案2中頂部排水孔邊界為潛在出滲邊界，底部排水孔邊界為定水頭邊界，水頭值取孔頂高程。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，不同巖體分區(qū)、洞周襯砌和防滲帷幕的滲透系數(shù)取值見表1。

3 滲流模擬結(jié)果分析

計(jì)算采用有限元滲流分析軟件，計(jì)算原理見文獻(xiàn)[3]，計(jì)算工況選取運(yùn)行期洞室水位3 471 m（校核洪水位），河床水位為3 335 m。

3.1 無排水孔條件

僅考慮洞周襯砌和防滲帷幕的作用，無排水孔條件時(shí)，放空洞縱剖面水頭等勢(shì)線如圖3所示。

由圖3可知，在高水頭作用下放空洞縱剖面的自由水面較高，水頭等勢(shì)線以洞室為中心向兩側(cè)及河床部位逐漸降低，岸坡下部靠近河床部位的溢出點(diǎn)高程為3 337.4 m。

放空洞運(yùn)行期充水后對(duì)閘室影響較大。閘室上部溢出點(diǎn)的高程約為3 377.8 m，高于閘室底板高程（3 350.0 m）27.8 m;閘室下部受水淹沒長(zhǎng)度為29.8 m。閘室與洞段連接部位底板外側(cè)的揚(yáng)壓力（水頭）較大，約為17.5 m。

3.2 有排水孔條件

為優(yōu)化排水孔方案設(shè)計(jì)，計(jì)算分析了兩種方案放空洞縱剖面浸潤(rùn)線，見圖4～圖5和表2。排水孔方案1（前置排水孔）：在放空洞（鋼混段）之后20 m設(shè)置排水洞，排水洞頂部排水孔垂向長(zhǎng)度為55 m。排水孔方案2（后置排水孔）：在放空洞（鋼混段）之后70 m設(shè)置排水洞，排水洞頂部排水孔垂向長(zhǎng)度為38 m，底部排水孔垂向長(zhǎng)度為20 m。

從圖4和圖5可以看出：設(shè)置排水孔后，放空洞縱剖面地下水位經(jīng)過排水孔后明顯降低，排水孔的排水降壓效果顯著。

方案1條件下，岸坡下部靠近河床部位的溢出點(diǎn)高程為3 336.0 m。閘室上部的浸潤(rùn)線較無排水孔條件降低較大，尤其是排水孔之后10 m左右降低最大，約為30 m。閘室上部溢出點(diǎn)高程約為3 365.2 m，高于閘室底板高程（3 350.0 m）15.2 m，較無排水孔條件降低12.6 m。閘室下部受水淹沒長(zhǎng)度約為20.8 m，較無排水孔條件縮短9.0 m。閘室與洞段連接部位底板外側(cè)的揚(yáng)壓力（水頭）為11.7 m，較無排水孔條件減小5.8 m。

方案2條件下，閘室上部的浸潤(rùn)線在排水孔之后8 m左右降低最大，較無排水孔條件降低14 m。閘室上部水位位于不透水邊界范圍內(nèi)，為3 362.1 m，高于閘室底板高程12.1 m，較無排水孔條件降低15.7 m。閘室下部受水淹沒長(zhǎng)度約為10.1 m，較無排水孔條件縮短19.7 m。閘室與洞段連接部位底板外側(cè)揚(yáng)壓力（水頭）為6.9 m，較無排水孔條件減小10.6 m。

3.3 排水孔不同長(zhǎng)度條件

通過方案比較分析可知，采用后置排水孔（方案2頂部排水孔長(zhǎng)度為38 m，底部排水孔長(zhǎng)度為20 m）的滲控效果更好。為更好地對(duì)排水孔長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)方案2比較分析了4種排水孔長(zhǎng)度條件，結(jié)果見表3。

由表3可知，4種排水孔長(zhǎng)度條件下岸坡下部溢出點(diǎn)高程相同，均為3 336.0 m。當(dāng)?shù)撞颗潘组L(zhǎng)度為20 m時(shí)，頂部排水孔長(zhǎng)度25 m相比38 m條件下的滲控效果有所降低，其中閘室上部水位為3 362.8 m，閘室下部受水淹沒長(zhǎng)度約為10.7 m，閘室與洞段連接部位底板外側(cè)的揚(yáng)壓力（水頭）為7.1 m。當(dāng)頂部排水孔長(zhǎng)度為25 m時(shí)，排水孔的滲控效果隨著底部排水孔長(zhǎng)度的減小而降低。底部排水孔長(zhǎng)度5 m條件下，閘室上部水位為3 365.2 m，閘室下部受水淹沒長(zhǎng)度約為18.3 m，閘室底板前端處的揚(yáng)壓力（水頭）為9.8 m。

4 結(jié) 論

通過蓄集峽水利樞紐工程放空洞縱剖面在不同排水系統(tǒng)條件下的滲流結(jié)果分析可知，后置排水孔方案與前置排水孔方案相比，放空洞縱剖面閘室上部的水位較低，閘室下部受水淹沒的長(zhǎng)度較短，閘室與洞段連接部位底板外側(cè)的揚(yáng)壓力（水頭）較小，總體滲控效果較好，且排水孔的滲控效果與長(zhǎng)度成正比。排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)在滿足滲控目標(biāo)的前提下，選取經(jīng)濟(jì)、高效的方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白正雄，武艷娜，李斌，等.蓄集峽水利樞紐工程放空洞滲流分析研究報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，2018：24-66.

[2] 周創(chuàng)兵，陳益峰，姜清輝，等.復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合分析導(dǎo)論[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：287-290.

[3] 毛昶熙，段祥寶，李祖貽，等.滲流數(shù)值計(jì)算與程序應(yīng)用[M].南京：河海大學(xué)出版社，1999：13-27.

【責(zé)任編輯 張華巖】