本文選題：坪頭水電站　切入點(diǎn)：滲流　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：坪頭水電站是四川省美姑河“一庫五級”開發(fā)方案最下游的一個(gè)梯級電站。美姑河是金沙江左岸的一級支流,坪頭水電站地下廠房又在金沙江溪洛渡水電站水庫回水范圍內(nèi)。坪頭水電站采用閘壩引水式開發(fā),最大閘壩高38.5m,庫容62.09萬m3,左岸引水隧洞長12.7Km,利用水頭298m,地下廠房布置三臺機(jī)組,裝機(jī)容量共180MW。該電站廠址區(qū)位于美姑河左岸,距閘址區(qū)23km,其上游以爾古溝為界,下游以龍頭溝為界。地下廠房區(qū)位于龍頭溝上游0.5-1km,主要水工構(gòu)筑物有壓力管道下平段、地下廠房、主變室、尾水洞等。該區(qū)的水工構(gòu)筑物置于水平埋深10-465m,垂直埋深5-325m范圍內(nèi)的山體里,圍巖為震旦系燈影組白云巖,巖溶裂隙發(fā)育。原設(shè)計(jì)方案中壓力管道下平段、地下廠房、主變室、尾水洞底板高程分別為573.8m、569.3m、587.7m和570.8m,除主變室外,其他洞室底板高程均低于當(dāng)?shù)氐牡叵滤?583-587m)和美姑河河水位(580.24m)。將來金沙江溪洛渡水電站建成水庫蓄水至600m高程后,受溪洛渡水電站水庫回水影響,坪頭水電站廠址區(qū)段內(nèi)的美姑河河水位將抬升至600m高程,廠址區(qū)山體內(nèi)的地下水水位將整體雍高,地下水水位將高于地下廠房區(qū)內(nèi)所涉及的各水工建筑物洞室的底板高程。顯然,地下廠房區(qū)內(nèi)各水工構(gòu)筑物在施工開挖和運(yùn)行過程中,都會出現(xiàn)地下水和美姑河河水或溪洛渡水電站庫水倒灌洞室的涌水問題。因此,要保證坪頭水電站廠房區(qū)內(nèi)各水工構(gòu)筑物的正常施工和電站運(yùn)行安全,地下廠房等洞室在施工期和運(yùn)行期的防滲設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。 由于坪頭水電站廠址區(qū)位于震旦系燈影組白云巖巖溶水系統(tǒng)的排泄區(qū),如何構(gòu)建廠區(qū)正確的水文地質(zhì)概念模型和仿真度較高的數(shù)值模擬模型,模擬預(yù)測不同工況條件下的地下水滲流場特征及硐室涌水量是本項(xiàng)目遇到的挑戰(zhàn)。 為了指導(dǎo)工程廠址區(qū)水工構(gòu)筑物的合理布置和防滲方案的科學(xué)設(shè)計(jì),保障工程的安全施工和正常運(yùn)行,通過調(diào)查、勘探、各類試驗(yàn)、定性和定量分析,本文主要完成了以下研究工作：(1)研究區(qū)水文地質(zhì)條件和地下水系統(tǒng)分析：(2)巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律研究及典型單元體大小的確定；(3)非均質(zhì)各向異性三維滲流數(shù)值模擬模型的構(gòu)建；(4)不同工況的施工過程和運(yùn)行期滲流場特征、涌水量的模擬預(yù)測和對比分析,提出了優(yōu)化的工程布置和防滲方案。取得以下主要成果和結(jié)論： 1、坪頭水電站廠址區(qū)位于龍頭溝巖溶地下水系統(tǒng)的集中排泄區(qū),該系統(tǒng)匯水面積約46kmm2,含水系統(tǒng)面積為12km2。天然條件下,地下水主要來自山區(qū)降水入滲補(bǔ)給,自北向南徑流、向廠址區(qū)匯聚,最后以泉群的形式集中排泄于美姑河。原設(shè)計(jì)方案廠房區(qū)水工構(gòu)筑物存在嚴(yán)重的涌水問題,常規(guī)施工中不僅會截?cái)帻堫^溝地下水系統(tǒng)的排泄途徑,而且將誘發(fā)美姑河河水的倒灌補(bǔ)給。根據(jù)實(shí)測涌水量及趨勢推測,平水期洞室涌水量為0.38m3/s、洪水期洞室涌水量將增至約1功3/s、溪洛渡水庫正常蓄水位600m時(shí)的洞室涌水量將達(dá)5.9m3/s,存在極大的工程隱患。 2、廠址區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查和裂隙發(fā)育規(guī)律研究表明：(1)廠址區(qū)裂隙發(fā)育,已形成連通性較好的裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),有一定程度的溶蝕作用,為溶隙-裂隙型含透水介質(zhì)。(2)受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造控制含水介質(zhì)滲透性表現(xiàn)為明顯的非均質(zhì)各向異性；其中非均質(zhì)性主要受地層巖性的控制,厚層細(xì)晶白云巖裂隙的延展性和張開性較好,滲透性相對較強(qiáng),而薄層細(xì)-微晶白云巖裂隙的延展性和張開性較差,其滲透性相對較弱。各向異性主要受裂隙發(fā)育方向控制,尤其受延展性和張開性較強(qiáng)的層面裂隙控制,滲透性呈現(xiàn)出北東向明顯強(qiáng)于北西方向,兩者滲透系數(shù)相差約1.5倍。(3)含水介質(zhì)滲透性隨深度增大而逐漸減弱,廠址區(qū)鉆孔和壓水試驗(yàn)成果顯示：480m高程以上,巖體裂隙、巖溶發(fā)育,壓水試驗(yàn)獲得的滲透率一般大于3Lu(呂榮)；450-480m高程,巖體裂隙較發(fā)育,但基本已無溶蝕現(xiàn)象,壓水試驗(yàn)一般在1～3Lu(呂榮)；450m高程以下,巖體裂隙不發(fā)育,可以視為相對隔水層。 3、通過地下廠房頂層排水廊道(610m高程)裂隙的系統(tǒng)測量和統(tǒng)計(jì)計(jì)算發(fā)現(xiàn),本區(qū)裂隙含水介質(zhì)的滲透性存在尺度效應(yīng)。同一測點(diǎn),當(dāng)研究尺度較小時(shí),裂隙率呈現(xiàn)隨尺度變化而變化的特點(diǎn),但隨著尺度增大到一定尺度后,裂隙率基本趨于穩(wěn)定,而且不同測點(diǎn)裂隙率達(dá)到基本穩(wěn)定的尺度相差不大,一般在2.5-3.5m。據(jù)此,確定后續(xù)采用裂隙連續(xù)介質(zhì)模型,刻畫滲流場的典型單元體尺度為3.5m,為數(shù)值模擬單元剖分提供了依據(jù)。 4、構(gòu)建了適合本區(qū)條件的裂隙巖體三維非均質(zhì)各向異性連續(xù)介質(zhì)的概念模型和水流數(shù)值模型。通過對比國內(nèi)外各種裂隙介質(zhì)模型的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合本區(qū)水文地質(zhì)條件和裂隙發(fā)育特征,認(rèn)為采用三維非均質(zhì)各向異性連續(xù)介質(zhì)模型刻畫研究區(qū)的滲流場較為適合。通過詳細(xì)的裂隙測量、流場分析、示蹤試驗(yàn)、鉆孔壓水試驗(yàn)等綜合技術(shù)方法,深入研究了模型邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)、滲透系數(shù)初值等,確保了模型的合理性。針對基巖山區(qū)地下水埋深大、難以開展地下水抽水試驗(yàn)的情況,利用已開挖的硐室開展水位恢復(fù)試驗(yàn),獲得了地下水位回升曲線,為地下水?dāng)?shù)值模型的反演識別獲取了更多資料,大大提高了模型的仿真度。 5、建立了廠房區(qū)水工構(gòu)筑物原設(shè)計(jì)方案和擬調(diào)整抬高方案的不同防滲方案的數(shù)值模擬模型,模擬預(yù)測了50種工況的地下水滲流場特征及涌水量。包括不同邊界條件,如美姑河水位在平水期、豐水期以及將來溪洛渡水庫蓄水運(yùn)行期的三種情況;施工期不同防滲條件,如沿美姑河局部防滲和整體防滲；運(yùn)行期地下廠房的五種不同防滲帷幕深度情況；從水文地質(zhì)角度提出的廠房整體就地抬升15m后的各種工況,全面展現(xiàn)了本工程可能出現(xiàn)的45種工況條件下的地下水流場特征和涌水量情況。 6、基于上述各種可能工況的地下水流場和洞室涌水量預(yù)測結(jié)果,從水文地質(zhì)角度對各種工況防滲帷幕工程實(shí)施的可行性及工程量,進(jìn)行了全方位對比分析與優(yōu)化,認(rèn)為：廠房整體抬高方案的施工和運(yùn)行更加安全可靠,工程建設(shè)過程和運(yùn)行情況已充分證實(shí)了這個(gè)方案的可行性和合理性。 坪頭水電站廠房區(qū)構(gòu)筑物原設(shè)計(jì)方案無論是施工期,還是運(yùn)行期都存在嚴(yán)重的涌水問題。施工洪水期涌水量可高達(dá)76882m3/d,由此引起的滲透穩(wěn)定問題十分嚴(yán)重,必須在美姑河沿岸及地下廠房周邊(在平面上和剖面上)都實(shí)施全封閉的防滲帷幕工程,工程量和施工難度都非常巨大。全封閉防滲帷幕的深度將達(dá)160m,而本區(qū)不具備設(shè)置多層灌漿廊道的施工條件,加之本區(qū)白云巖裂隙含水介質(zhì)具有沿裂隙巖溶“砂化”的特點(diǎn)。該類防滲帷幕工程施工難度極大,工程質(zhì)量難以保證,存在較嚴(yán)重的工程施工和運(yùn)行的安全隱患。 提出地下廠房構(gòu)筑物整體抬高15m的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)對地下廠房整體抬高方案各種工況地下水滲流場數(shù)值模擬結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn),地下廠房抬高15m以后,絕大多數(shù)構(gòu)筑物都提高到天然地下水位以上,即使有些工況條件下仍有洞室涌水問題,但涌水量大大減小(施工時(shí)洪水期涌水量為14456m3/d),工程施工條件得到了大大改善。運(yùn)行期間雖然由于溪洛渡水庫蓄水后仍有涌水問題,但此時(shí)地下廠房底板已經(jīng)完成,可以通過加強(qiáng)廠房基礎(chǔ)的抗?jié)B設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來減輕運(yùn)行期的防滲壓力。 總之,本次研究是針對工程建設(shè)中實(shí)際遇到的難題,從工程實(shí)際出發(fā)開展了一系列行之有效的研究和勘察與試驗(yàn)工作,很好地將地下水系統(tǒng)理論、數(shù)值模擬技術(shù)與工程實(shí)際有機(jī)結(jié)合。不僅解決了本工程的實(shí)際問題,同時(shí)對類似工程也有重要參考價(jià)值。此外,坪頭水電站最終采納了本次研究的結(jié)論和建議,對廠址區(qū)各水工建筑物的結(jié)構(gòu)支護(hù)處理措施和防滲工程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前坪頭水電站已正常發(fā)電兩年多,運(yùn)行情況良好。 本文的特色與創(chuàng)新之處主要為： (1)通過裂隙網(wǎng)絡(luò)測量和滲流場研究,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)裂隙含水系統(tǒng)具有連續(xù)介質(zhì)的特征,其等效連續(xù)介質(zhì)的典型單元體尺寸為3.5m,為采用等效連續(xù)介質(zhì)模型建立地下水?dāng)?shù)值模型以及剖分尺度提供了理論依據(jù)。 (2)利用支洞排水工程,開展地下水水位恢復(fù)試驗(yàn),獲取水文地質(zhì)參數(shù)和模型識別的資料；為類似陡峻岸坡山區(qū),不具備抽水試驗(yàn)條件的地下洞室工程獲取水文地質(zhì)參數(shù)和模型識別提供了新的思路和方法。 (3)運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬方法進(jìn)行大量(50種)工況模擬,優(yōu)化設(shè)計(jì)地下工程及其防滲方案,解決了復(fù)雜條件下的工程難題。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TV731;TV223.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1650574