劉昌軍，王小衛(wèi)，徐甲存，唐波

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038;2.江蘇省建苑巖土工程勘測(cè)有限公司，南京 210029; 3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210022）

文登抽水蓄能電站地下洞室群復(fù)雜滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析

劉昌軍1，王小衛(wèi)2，徐甲存3，唐波3

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038;2.江蘇省建苑巖土工程勘測(cè)有限公司，南京 210029; 3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210022）

文登抽水蓄能電站由引水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)以及上下庫(kù)組成。復(fù)雜地下廠房洞室群、上下庫(kù)大壩防滲系統(tǒng)以及壓力管道上方的平洞和密集排水孔幕構(gòu)成了文登抽水蓄能電站復(fù)雜的防滲排水系統(tǒng)。采用GWSS （Groundwater Simulation System）軟件對(duì)文登抽水蓄能電站工程區(qū)復(fù)雜的滲流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)研究了抽水蓄能電站正常運(yùn)行后工程區(qū)復(fù)雜滲流場(chǎng)特性、引水系統(tǒng)管道的外水壓力和上水庫(kù)防滲效果。研究結(jié)果表明:在高壓隧洞下水平段上部設(shè)置排水洞和排水孔幕的排滲方案，對(duì)引水管道和岔管具有顯著排水降壓作用，使該區(qū)域的滲控效果滿足要求。

三維滲流場(chǎng);地下隧洞;改進(jìn)截止負(fù)壓法;排水子結(jié)構(gòu)法;有限元

1 研究背景

抽水蓄能電站一般由引水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)以及上下庫(kù)組成。數(shù)量眾多的地下隧洞、引水和尾水管道、密集的排水孔幕以及上下庫(kù)復(fù)雜的防滲系統(tǒng)形成了抽水蓄能電站工程區(qū)復(fù)雜的滲流場(chǎng)分布［1-7］。抽水蓄能電站工程區(qū)復(fù)雜滲流場(chǎng)的精細(xì)求解有以下幾個(gè)難點(diǎn):一方面地下廠房洞室群、高壓隧洞和排水洞以及密集排水孔等滲控措施控制著滲流場(chǎng)的滲流水頭分布，在排水降壓中起主導(dǎo)作用，需要精細(xì)建模;另一方面地下高壓隧洞和排水洞、交通洞等設(shè)計(jì)尺寸一般較小，空間分布復(fù)雜，且襯砌前后對(duì)地下水滲流場(chǎng)分布影響較大，對(duì)這些復(fù)雜排水系統(tǒng)的邊界條件難以精確確定;再者，對(duì)眾多的高壓隧洞的有限元網(wǎng)格通常采用局部加密網(wǎng)格方法進(jìn)行網(wǎng)格剖分，往往造成網(wǎng)格數(shù)量較大，給有限元網(wǎng)格剖分和模型求解均帶來較大的難度。

子結(jié)構(gòu)法在復(fù)雜滲流場(chǎng)求解中是較為成熟和應(yīng)用廣泛的方法，特別是在模擬有密集排水孔的滲流分析中，子結(jié)構(gòu)法及改進(jìn)的排水子結(jié)構(gòu)法得到了較多應(yīng)用［8-12］。

本文采用改進(jìn)的截止負(fù)壓法［13］、高壓隧洞精細(xì)模擬的子結(jié)構(gòu)法及模擬密集排水孔幕的排水子結(jié)構(gòu)法，對(duì)文登抽水蓄能電站復(fù)雜引水系統(tǒng)管道和尾水系統(tǒng)管道、平洞和交通洞以及地下廠房系統(tǒng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的滲流場(chǎng)分布進(jìn)行了精細(xì)模擬研究。重點(diǎn)研究了抽水蓄能電站正常運(yùn)行后工程區(qū)復(fù)雜滲流場(chǎng)的分布及滲流特性，引水系統(tǒng)管道的外水壓力和上水庫(kù)防滲效果。工程案例表明，利用該方法可以解決計(jì)算復(fù)雜滲流場(chǎng)的精細(xì)求解問題，且網(wǎng)格剖分簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，精度較高。

2 工程概況

文登抽水蓄能電站位于山東省膠東地區(qū)文登市界石鎮(zhèn)境內(nèi)，工程區(qū)距文登市公路里程約35 km。文登抽水蓄能電站樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房、開關(guān)站及出線場(chǎng)等部分組成，裝機(jī)容量1 800 MW。電站樞紐工程為一等大（1）型工程，主要建筑物為1級(jí)建筑物。樞紐平面布置圖見圖1。

上水庫(kù)位于泰礴頂東側(cè)宮院子溝溝首部位，采用開挖和筑壩方式興建，在庫(kù)盆東側(cè)溝口布置一座鋼筋混凝土面板堆石壩。上水庫(kù)正常蓄水位625 m，壩頂高程628 m。

水道系統(tǒng)由上水庫(kù)進(jìn)/出水口、高壓隧洞、尾水閘室、尾水調(diào)壓井、尾水隧洞、下水庫(kù)進(jìn)/出水口等組成，輸水線路總長(zhǎng)度約3 218 m。引水系統(tǒng)采用雙管線一管三機(jī)供水方式，高壓隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，支管采用鋼板襯砌。尾水隧洞采用三機(jī)一洞布置方式，主洞直徑8.1 m，采用鋼筋混凝土襯砌，支管采用鋼板襯砌。在高壓引水隧洞下水平段上方布置排水洞和排水孔幕，具體布置如圖2。

圖2 岔管段的滲控措施布置圖Fig.2Plane and sectional layout of seepage control measures

地下廠房位于六渡寺溝東岸的山體內(nèi)，采用近中部開發(fā)方式，廠內(nèi)布置6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，廠房系統(tǒng)由地下廠房、主變洞、母線洞、排水廊道、交通洞、通風(fēng)洞、出線洞及地面開關(guān)站等組成。廠區(qū)四周布置有如圖3所示的主防滲排水系統(tǒng)。

3 復(fù)雜滲流場(chǎng)的求解

地下廠房洞室群都深埋于山體內(nèi)。圍巖呈非均質(zhì)強(qiáng)各向異性。斷層錯(cuò)綜分布，滲控措施又極為復(fù)雜;在其滲流場(chǎng)的分析中常涉及到滲流自由面、密集排水孔幕、高壓隧洞內(nèi)水外滲和復(fù)雜斷層的模擬等關(guān)鍵求解問題。

3.1 穩(wěn)定滲流場(chǎng)求解的基本原理

非均質(zhì)各向異性巖體穩(wěn)定飽和滲流問題的控制方程為

式中:xi為坐標(biāo)，i=1，2，3;kij為達(dá)西滲透系數(shù)矩陣; h=x3+p/r為總水頭，x3為位置水頭。

非均質(zhì)各向異性介質(zhì)穩(wěn)定滲流的定解問題一般包含4種邊界條件，即已知水頭邊界、不透水邊界、出滲面邊界和自由面邊界。

對(duì)上述問題采用固定網(wǎng)格的有限元法進(jìn)行求解，根據(jù)變分原理，求解泛函數(shù)和支配方程為

式中:∏（h）為泛函數(shù);K，P，F(xiàn)分別為滲流實(shí)域的傳導(dǎo)矩陣、節(jié)點(diǎn)水頭壓力列陣和已知節(jié)點(diǎn)壓力列陣。

在有自由面的滲流場(chǎng)分析中，自由面的求解至關(guān)重要，文獻(xiàn)［13］給出了改進(jìn)的截止負(fù)壓法，解決了復(fù)雜無壓滲流的求解問題。改進(jìn)的截止負(fù)壓法更能準(zhǔn)確地考慮單元的部分飽和及非飽和作用，準(zhǔn)確地計(jì)算單元結(jié)點(diǎn)外力或結(jié)點(diǎn)不平衡力，從而提高計(jì)算精度和收斂速度，其原理推導(dǎo)詳見文獻(xiàn)［13］。

圖3 廠房橫剖面圖Fig.3Transverse section of the power house

3.2 改進(jìn)的排水子結(jié)構(gòu)及其基本原理

改進(jìn)的排水子結(jié)構(gòu)法是專門用于模擬排水孔的特殊單元群體，它分布于主網(wǎng)格之中，其單元數(shù)量、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)取決于排水孔形式，不受主網(wǎng)格影響。常見排水子結(jié)構(gòu)模式見文獻(xiàn)［8-9］。按照上述介紹的改進(jìn)截止負(fù)壓法，將子結(jié)構(gòu)作為主網(wǎng)格整體結(jié)構(gòu)的一部分一起來考慮，排水子結(jié)構(gòu)總傳導(dǎo)矩陣及相應(yīng)流量列陣寫成分塊形式，詳細(xì)公式推導(dǎo)參見文獻(xiàn)［10-12］。

3.3 管道子結(jié)構(gòu)法

地下深埋高壓隧洞或地下管道的橫截面幾何尺寸一般較小，難以通過網(wǎng)格劃分進(jìn)行精細(xì)模擬，特別是有混凝土進(jìn)行襯砌情況下，管道充水前后滲流場(chǎng)精細(xì)模擬是抽水蓄能電站工程區(qū)滲流場(chǎng)分析的難點(diǎn)之一。

提出了采用子結(jié)構(gòu)法模擬高壓管道內(nèi)水外滲的滲流場(chǎng)分布。該方法避免了復(fù)雜高壓管道群的網(wǎng)格剖分問題，為抽水蓄能電站工程區(qū)復(fù)雜滲流場(chǎng)求解提供了新的思路。管道子結(jié)構(gòu)法是排水子結(jié)構(gòu)法的一個(gè)特例，2種方法計(jì)算原理相同，排水子結(jié)構(gòu)法是解決密集排水孔等排水系統(tǒng)的精細(xì)模擬問題，而管道子結(jié)構(gòu)法主要是解決深埋高壓隧洞（或管道）的排水或內(nèi)水外滲問題。

一般地下隧洞邊界特點(diǎn)可分為2類:一是進(jìn)行襯砌的隧洞;二是不進(jìn)行襯砌的隧洞。對(duì)于無襯砌的隧洞分別采用挖空處理，而對(duì)有襯砌的隧洞可采用一重子結(jié)構(gòu)法進(jìn)行剖分和計(jì)算，具體剖分形式見圖4。

3.4 計(jì)算軟件GWSS的開發(fā)

根據(jù)上述計(jì)算理論，采用IDL語(yǔ)言開發(fā)了三維可視化滲流分析軟件GWSS，軟件界面見圖5。該軟件包括三維建模模塊（包括地質(zhì)建模和幾何建模）、有限元網(wǎng)格剖分模塊、計(jì)算模塊、后處理顯示模塊等功能，軟件具體功能介紹參見文獻(xiàn)［15］。

圖4 隧洞橫截面子結(jié)構(gòu)圖Fig.4Substructure of tunnel cross section

4 工程區(qū)滲流場(chǎng)建模及計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

圖5 計(jì)算區(qū)域整體三維網(wǎng)格Fig.5Three dimensional FEM meshes of the computational area

根據(jù)已有的鉆孔資料和水文地質(zhì)資料，確定工程區(qū)滲流場(chǎng)計(jì)算模型的范圍。本地區(qū)的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，存在較大的斷層、節(jié)理裂隙帶等滲流通道，本次計(jì)算對(duì)較大的斷層等影響滲流場(chǎng)工程區(qū)滲流的主要滲流通道進(jìn)行了詳細(xì)模擬，其中包括F3，X6，F(xiàn)5，F(xiàn)12和X12斷層，工程區(qū)上庫(kù)庫(kù)盆和上庫(kù)大壩，水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)。重點(diǎn)研究上水庫(kù)防滲系統(tǒng)、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)滲流場(chǎng)的分布。

綜合考慮上庫(kù)庫(kù)盆和水道系統(tǒng)以及廠房系統(tǒng)。在工程區(qū)平面和立面雙重控制下，經(jīng)剖分后獲得計(jì)算分析區(qū)域的整體三維網(wǎng)格模型，剖分單元45 012個(gè)，節(jié)點(diǎn)49 312個(gè)，如圖5所示。為了具體描述設(shè)計(jì)關(guān)注的材料分區(qū)和防滲排水等特殊要求部位，現(xiàn)專門提取了相應(yīng)部位的網(wǎng)格，見圖6至圖7中。主要反應(yīng)以下幾個(gè)方面:①引水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)和水道系統(tǒng)三維網(wǎng)格;②整個(gè)工程區(qū)全部排水孔網(wǎng)格（其中廠房頂部和岔管上方平洞內(nèi)的斜排水孔均簡(jiǎn)化為水平排水孔）。

圖6 地下隧洞群及防滲帷幕三維網(wǎng)格圖Fig.6Three dimensional FEM meshes of the underground tunnels and cut-off curtain

4.2 研究區(qū)域的邊界條件

圖7 工程區(qū)所有排水孔三維網(wǎng)格圖Fig.7Three dimensional FEM meshes of all the drainage holes

根據(jù)研究區(qū)域范圍確定了工程運(yùn)行期計(jì)算區(qū)邊界條件如下:①模型上邊界取地下水位680 m，庫(kù)盆內(nèi)水位取正常蓄水位625 m，上庫(kù)下游河道內(nèi)按地表高程進(jìn)行控制。②模型下邊界和下庫(kù)淹沒區(qū)內(nèi)取下庫(kù)正常蓄水水位136 m。左右邊界都取為隔水邊界。③地表按入滲邊界，入滲流量為60 mm/a，底面邊界按隔水邊界控制。④地下廠房系統(tǒng)、排水系統(tǒng)，交通洞等按可能逸出邊界處理。⑤引水管道和尾水管道系統(tǒng)充水按定水頭邊界處理。

4.3 計(jì)算區(qū)參數(shù)選取

根據(jù)天然滲流場(chǎng)反演的各地層參數(shù)結(jié)果，確定了研究區(qū)地層參數(shù)見表1。

表1計(jì)算區(qū)各材料的滲透參數(shù)

Table 1Parameters of seepage property of materials in the computational areacm/s

序號(hào)材料水平滲透系數(shù)KxKy垂直滲透系數(shù)Kz 1強(qiáng)風(fēng)化6×10-56×10-56×10-5 2弱風(fēng)化2×10-52×10-52×10-5 3新鮮基巖1×10-61×10-61×10-6 4防滲帷幕2×10-52×10-52×10-5 5混凝土面板1×10-81×10-81×10-8 6裂隙帶4×10-44×10-44×10-4 7斷層F35×10-55×10-55×10-5 8斷層X61×10-41×10-61×10-4 9斷層F55×10-55×10-55×10-5 10斷層F125×10-51×10-55×10-5 11斷層X121×10-51×10-61×10-5 12混凝土襯砌2.6×10-62.6×10-62.6×10-6

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

由于篇幅所限，本文重點(diǎn)討論水道系統(tǒng)全部充水后整個(gè)工程區(qū)的滲流場(chǎng)分布。圖8給出了整個(gè)工程區(qū)地下水位等值線分布，圖9給出了引水系統(tǒng)1#機(jī)組縱剖面水頭等值線圖，圖10給出了引水系統(tǒng)上水平段橫剖面水頭等值線圖。圖11給出了岔管段橫剖面水頭等值線圖。

水道系統(tǒng)全部充水運(yùn)行后工程區(qū)的滲流場(chǎng)有以下幾個(gè)特點(diǎn):

（1）上下庫(kù)正常蓄水及水道系統(tǒng)充水后，整個(gè)滲流場(chǎng)的水頭分布規(guī)律合理，等值線形態(tài)、走向和密

圖8 工程區(qū)地下水位等值線Fig.8Contours of groundwater level in the project area

圖9 引水系統(tǒng)1#機(jī)組剖面局部水頭等值線Fig.9Partial contours of water level in the profile of 1#power set of the drainage system

圖10 岔管段縱剖面水頭等值線Fig.10Contours of water level along the profile of branch pipe segment

集程度都正確地反映了相應(yīng)位置處的滲控措施特點(diǎn)和邊界條件。在地下廠房排水系統(tǒng)、交通洞和平硐共同排水作用下，在平硐上方和地下廠房上方都形成了較大的水位漏斗（見圖8）。壓力管道排水洞和廠房上側(cè)為非飽和區(qū)，廠房附近地下水位約26 m左右，廠房周圍和上面排水系統(tǒng)排水效果顯著，在廠房區(qū)上游側(cè)、左右側(cè)以及下游側(cè)排水孔幕和排水廊道控制下，主廠房上游側(cè)出滲面相對(duì)較低（見圖9）。

圖11 引水系統(tǒng)上水平段橫截面水頭等值線圖Fig.11Contours of water level in the cross section of upper horizontal segment of the drainage system

（2）引水系統(tǒng)壓力管道由于混凝土襯砌管道內(nèi)水外滲，使岔管段承受較高內(nèi)水壓力和一定的外水壓力。岔管上方壓力管道的排水洞和排水孔起到了很好排水作用，降低了壓力鋼管承受外水壓力（見圖10）。

（3）引水隧洞周圍的等水位線分布成密實(shí)封閉圓環(huán)，越向內(nèi)水位越高，在壓力鋼管附近特別是和岔管段周圍出現(xiàn)高壓區(qū)，反映出引水隧洞內(nèi)的高壓水向周圍巖體中滲透（見圖11）。而在尾水隧洞所處區(qū)域的滲流場(chǎng)的水位本身相對(duì)較高和下庫(kù)水位較為接近，尾水隧洞內(nèi)的內(nèi)水對(duì)滲流場(chǎng)的影響不明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

工程案例表明，采用改進(jìn)的截止負(fù)壓法、子結(jié)構(gòu)法和改進(jìn)的排水子結(jié)構(gòu)法可以很好地解決復(fù)雜地下廠房系統(tǒng)、地下管道系統(tǒng)和復(fù)雜排水系統(tǒng)的滲流場(chǎng)精細(xì)模擬問題。文登抽水蓄能電站整個(gè)工程區(qū)滲流場(chǎng)分布合理，滲流各主要影響因素對(duì)滲流場(chǎng)的影響均得到了比較合理的反映。引水管道下水平段和岔管上方的平洞和排水孔幕等滲控措施能有效控制高壓滲水，起到了排水降壓作用，且地下廠房區(qū)域排水系統(tǒng)排水效果較好。目前的滲控設(shè)計(jì)方案基本能保證工程的運(yùn)行安全。

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［14］劉昌軍，丁留謙，孫東亞，等.溪古水電站左岸三維滲流場(chǎng)有限元分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，（增）: 54-57.（LIU Chang-jun，DING Liu-qian，SUN Dongya，et al.3-D Finite Element Analysis on Seepage Field of Left Abutment of Xigu Hydropower Station［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，（Sup.）:54-57.（in Chinese））

［15］劉昌軍，丁留謙，張啟義，等.三維滲流有限元分析軟件GWSS開發(fā)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2012，（4）:6-9.（LIU Chang-jun，DING Liu-qian，ZHANG Qi-yi，et al.Development and Application of 3D Seepage Finite Element Analysis Software GWSS［J］.Computer Aided Engineering，2012，（4）:6-9.（in Chinese））

（編輯:王慰）

Numerical Simulation on the Complex Seepage Field of Underground Caverns of Wendeng Pumped Storage Power Station

LIU Chang-jun1，WANG Xiao-wei2，XU Jia-cun3，TANG Bo3
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China;
2.Jianyuan Geologic Engineering＆Investigation Co.Ltd.，Nanjing210029，China;
3.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co.Ltd.，Nanjing210022，China）

Wendeng pumped-storage power station is composed of water intake system，underground powerhouse system，tailrace system and the upper and lower reservoir.The underground chambers，seepage control system of the upper and lower dam，and the adits and densely distributed drainage holes above the penstock construct the complex impervious system of the station.GWSS（Groundwater Simulation System）software was adopted in the numerical simulation analysis on the complex seepage field of the project.Characteristics of the complex seepage field，the external water pressure of conduit pipe and the impervious effect of the upper dam during normal operation were investigated.The result shows that the pressure on the conduit pipe and branch pipe can be reduced obviously and hence the seepage control effect meets the requirement by setting plughole and drainage curtain at the top of the horizontal segment of the high-pressure tunnel.

3-D seepage field;underground tunnel;method of modified cut-off negative pressure;method of drainage substructure;FEM

TV139.14

A

1001-5485（2013）04-0073-06

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.016

2013，30（04）:73-78

2011-02-15;

2012-06-07

國(guó)家“十一五”科技支撐課題（2008BAB42B05，2008BAB42B06）;國(guó)家國(guó)際科技合作計(jì)劃資助（2010DFA74520）

劉昌軍（1978-），男，山東鄆城人，高級(jí)工程師，博士，從事水工結(jié)構(gòu)工程和巖土工程滲流數(shù)值模擬方面的研究，（電話）010-68781901（電子信箱）lcj2005@iwhr.com。