謝遵黨 呂小龍 宋修昌 馬峰

摘 要：抽水蓄能電站水位升降頻繁、外部環(huán)境多變，長期運(yùn)行過程中庫盆滲控體系的老化問題十分突出。滲漏量是評價(jià)抽水蓄能電站庫盆運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)，將庫盆滲漏通道劃分為堰型缺陷和深孔型缺陷，確定了水壓、溫度、時(shí)效分量影響因子。通過系統(tǒng)研究庫水位、溫度、時(shí)間對滲漏量的影響，建立了抽水蓄能電站庫盆滲漏量統(tǒng)計(jì)模型?；诨佚埑樗钅茈娬旧纤畮鞄炫铦B漏監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，為回龍電站庫盆防滲治理提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：庫盆滲漏;堰型缺陷;深孔型缺陷;統(tǒng)計(jì)模型;回龍抽水蓄能電站

中圖分類號：TV641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.025

引用格式：謝遵黨，呂小龍，宋修昌，等.回龍抽水蓄能電站庫盆滲漏特性研究[J].人民黃河，2021，43（11）：133-136.

Study on Reservoir Basin Leakage of Huilong Pumped Storage Power Station

XIE Zundang ?LYU Xiaolong ?SONG Xiuchang ?MA Feng3

（1.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 45000 ?China; 2.Key Laboratory of Water Management

and Water Security for Yellow River Basin， Ministry of Water Resources （Preparation）， Zhengzhou 45000 ?China;

3.Huilong Branch of State Grid Xinyuan Co.， Ltd.， Nanyang 473002， China）

Abstract： Due to the frequent rise and fall of water level and the changeable external environment， the problem of reservoir basin leakage is prominent for pumped storage power station in the process of long-term operation. Leakage is a key index to evaluate the operation state of pumped storage power station basin. In this paper， the leakage channel of the reservoir basin was divided into weir-type defects and hole-type defects， the influence factors of water pressure component were determined. By systematically study the influence of reservoir water level， temperature and time on the leakage， a statistical model of reservoir basin leakage of pumped storage power station was established. Based on the leakage monitoring data of the upper reservoir basin of Nanyang Huilong pumped storage power station， the accuracy of the model was verified. At last， the time when the leakage of Huilong Reservoir basin exceeded the design limit （2，000 m3/d） was predicted， which provided a theoretical basis for the anti-seepage treatment of Huilong Reservoir basin.

Key words： reservoir basin leakage; weir-type weir type defect; hole-type defect; statistical model; Huilong Pumped Storage Power Station

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國用電結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)負(fù)荷特性發(fā)生了顯著變化，電網(wǎng)峰谷差不斷拉大和調(diào)峰容量不足的矛盾日益突出。抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中可以發(fā)揮調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、提高供電質(zhì)量等作用。目前，我國完工、在建、待建的抽水蓄能電站超過百座，早期建設(shè)的抽水蓄能電站經(jīng)過長期運(yùn)行，大多存在滲控體系老化問題[1-2]。抽水蓄能電站多為循環(huán)用水，水量的滲漏損失將嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行和電站經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

基于工程監(jiān)測資料建立數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)對工程效應(yīng)量的量化分析和預(yù)測，對保證工程安全運(yùn)行具有重要意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在水利工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域取得了大量成果。王彭煦等[3]建立了指數(shù)型壩體沉降預(yù)報(bào)模型，與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合良好。王穎慧等[4]將主成分分析法引入支持向量機(jī)中，同時(shí)應(yīng)用灰狼優(yōu)化算法對支持向量機(jī)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，建立了PCA-GWO-SVM大壩變形預(yù)測模型。房彬等[5]構(gòu)建了蓄水期壩頂水平位移的多元線性回歸模型和串聯(lián)灰色多元線性回歸模型，分析預(yù)測了某拱壩蓄水期變形性態(tài)。秦鵬等[6]建立了ARIMA-RTA組合預(yù)測模型，該模型能夠充分挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)信息，具有物理機(jī)制明確、預(yù)測精度高的優(yōu)點(diǎn)。孫小冉等[7]將粗集理論和支持向量機(jī)結(jié)合起來，建立了大壩工作性態(tài)的RS-SVM實(shí)時(shí)監(jiān)控模型，可實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境荷載變化對大壩工作性態(tài)影響的監(jiān)控和預(yù)測。劉亮亮等[8]將分形插值理論引入大壩變形預(yù)測，對某混凝土壩段的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，指出分形插值方法能較好擬合變形曲線，表征大壩變形特征。

上述成果主要針對大壩變形、壩體滲流等方面，而關(guān)于抽水蓄能電站庫盆滲漏的研究成果很少。滲漏量是評價(jià)抽水蓄能電站庫盆運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)。筆者通過系統(tǒng)研究庫水位、溫度、時(shí)間對滲漏量的影響，建立了抽水蓄能電站庫盆滲漏統(tǒng)計(jì)模型，基于回龍抽水蓄能電站上水庫庫盆滲漏監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測了庫盆未來滲漏趨勢。

1 工程概況

回龍抽水蓄能電站位于河南省南召縣城東北約16 km的岳莊村附近，是為解決河南電力調(diào)峰問題而設(shè)置的調(diào)峰電站。工程主要建筑物包括上水庫、下水庫、引水發(fā)電洞、地下廠房、地面開關(guān)站等。上水庫庫盆防滲采用混凝土面板與掛網(wǎng)噴混凝土面層結(jié)合的全封閉防滲方案。在混凝土面板下設(shè)置無砂混凝土排水管網(wǎng)，噴混凝土區(qū)為15 m間隔的排水網(wǎng)格，通過穿壩鋼管將庫盆滲水排到壩后泵房集水池，再重新抽回庫內(nèi)。噴混凝土滲漏處理面積約5.46萬m2，面板防滲處理面積約1.4萬m2。

上水庫庫盆工程自2003年5月25日開始施工，2004年5月18日竣工。2004年6月上水庫庫盆開始蓄水，蓄水過程中，庫盆滲漏量超過設(shè)計(jì)允許值。2005年，對庫盆的噴混凝土區(qū)和部分混凝土面板區(qū)熔抹PVC改性瀝青進(jìn)行防滲處理，處理后滿庫滲漏量為917 m3/d?；佚堧娬旧纤畮旆罎B工程平面布置見圖1。

2 抽水蓄能電站庫盆滲漏統(tǒng)計(jì)模型

抽水蓄能電站庫盆滲漏量主要受庫水位、時(shí)間效應(yīng)、溫度等因素的影響。滲漏量水壓分量由庫水位控制，隨電站運(yùn)行波動(dòng)變化;時(shí)效分量指工程的滲透性和滲流條件等隨時(shí)間的變化導(dǎo)致的滲漏量;溫度分量是溫度變化引起裂縫（缺陷）開合、材料脹縮等引起的滲漏量。綜上，抽水蓄能電站庫盆滲漏統(tǒng)計(jì)模型為

Q=QH+QT+Qt

式中：Q為庫盆滲漏量;QH為水壓分量;QT為溫度分量;Qt為時(shí)效分量。

2.1 水壓分量QH

圖2是回龍電站2014年7月15—16日庫水位與庫盆滲漏量時(shí)程曲線，可見庫盆滲漏量Q與庫水位H之間存在明顯關(guān)聯(lián)性。同時(shí)，庫盆滲漏量變化與庫水位升降之間存在一定滯后，系列數(shù)據(jù)表明，庫水位下降導(dǎo)致庫盆滲漏量減少的滯后時(shí)間約2.5 h，庫水位上升導(dǎo)致庫盆滲漏量增大的滯后時(shí)間約5.5 h。該滯后變化的主要原因是滲漏水在排水系統(tǒng)中匯集至壩后排水溝需要一定時(shí)間。

現(xiàn)場巡查表明，在水位變動(dòng)區(qū)，防滲層裂隙與大氣連通，水力條件與堰流類似。在水位變動(dòng)區(qū)以下，裂隙與閘孔出流的水力條件基本一致。因此，將水位變動(dòng)區(qū)以上裂縫定義為堰型缺陷，水位變動(dòng)區(qū)以下定義為深孔型缺陷。根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊》[9]，堰型缺陷Q∝H3/2，深孔型缺陷Q∝H1/2?？紤]混凝土面板區(qū)和噴混凝土區(qū)的穩(wěn)定滲流符合達(dá)西定律，因此穩(wěn)定滲漏量Q∝H。綜上，初步選擇H1/2、H、H3/2等3個(gè)水壓分量因子。

2.2 溫度分量QT

圖3是2014年7月15日庫水位與庫盆滲漏量滯回曲線，現(xiàn)場監(jiān)測次序?yàn)镺→A→B→C→D。A點(diǎn)和D點(diǎn)庫水位基本一致，庫盆滲漏量分別為1 070 m3/d和1 760 m3/d，這兩點(diǎn)的滲漏量是晝夜溫差引起的。

庫盆防滲采用熔抹PVC改性瀝青措施，隨溫度變化，熱脹冷縮使裂縫寬度呈規(guī)律性張開或閉合。因此，采用周期項(xiàng)作為溫度分量因子，即

QT=∑ni=1（b1isin2πtTi+b2icos2πtTi）（1）

式中：n為考慮的周期數(shù);Ti為溫度變化周期;t為時(shí)間;b1i和b2i為回歸系數(shù)。

根據(jù)中國天氣網(wǎng)數(shù)據(jù)，工程所在地日平均氣溫、日均最高氣溫和日均最低氣溫均呈周期性變化，因此選取周期為365 d。盡管庫盆滲漏量在一天之內(nèi)也呈周期性變化，但是考慮到庫盆滲漏量的監(jiān)測頻率約為3 d，在長系列滲漏量預(yù)測中引入周期為1 d意義不大，因此分別選擇sin2πt/365和cos2πt/365作為溫度效應(yīng)因子。

2.3 時(shí)效分量Qt

防滲體系隨時(shí)間的演化規(guī)律較為復(fù)雜，根據(jù)相關(guān)研究成果[10]，在構(gòu)造時(shí)效分量Qt時(shí)，初步選擇5個(gè)時(shí)效因子，即t-0.5、t0.5、t、t2、lnt+1。

3 庫盆滲漏統(tǒng)計(jì)模型驗(yàn)證及預(yù)測

3.1 影響因子組合方案

相關(guān)系數(shù)是一種衡量變量間相關(guān)程度的指標(biāo)，其定義為

r（X，Y）=Cov（X，Y）Var[X]Var[Y]（2）

式中：Cov（X，Y）為向量X與Y的協(xié)方差;Var[X]為向量X的方差;Var[Y]為向量Y的方差。

為了確定影響因子組合方案，進(jìn)一步篩選與庫盆滲漏量相關(guān)性較高的影響因子，計(jì)算了庫盆滲漏量與各影響因子的相關(guān)系數(shù)，見表1。庫盆滲漏量Q與3個(gè)水壓分量相關(guān)系數(shù)較大，同時(shí)水壓分量之間相關(guān)性較強(qiáng)。庫盆滲漏量與2個(gè)溫度因子的相關(guān)系數(shù)差異性較大，與余弦因子相關(guān)系數(shù)較大，與正弦因子相關(guān)系數(shù)較小，正弦因子與余弦因子之間無相關(guān)關(guān)系。庫盆滲漏量與時(shí)間因子t0.5、t相關(guān)系數(shù)極小，基本不存在相關(guān)關(guān)系，Q與t2、ln（t+1）為弱相關(guān)。綜合考慮以上相關(guān)性分析成果，采用H1/2、H、H3/2、sin（2πt/365）、cos（2πt/365）、t2、ln（t+1）等7個(gè)影響因子作為組合方案構(gòu)造數(shù)學(xué)模型。

3.2 庫盆滲漏統(tǒng)計(jì)模型與趨勢預(yù)測

采用回歸方法對2012年1月5日—2014年12月31日的長系列監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定庫盆滲漏統(tǒng)計(jì)模型表達(dá)式：

Q=2.70×105h1/2-1.82×104h+308.09h3/2+5.54×10-4t2-

174.04ln（t+1）-30.00sin 2πt365+384cos 2πt365

采用庫盆滲漏統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算2012年1月5日—2014年12月31日逐日滲漏量，與監(jiān)測數(shù)據(jù)比較見圖4。可見，統(tǒng)計(jì)模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)整體趨勢一致，各極值點(diǎn)差別不大，該模型較好地模擬了庫盆滲漏量隨時(shí)間的發(fā)展過程。

4 結(jié) 論

（1）熔抹PVC改性瀝青進(jìn)行防滲處理的庫盆滲漏量對溫度變化非常敏感，冬季庫盆滲漏量顯著大于夏季的。滲漏量變化相對庫水位升降有一定滯后性，滯后程度與集水路徑直接相關(guān)。

（2）通過分析庫盆滲漏量影響因子及其相關(guān)性，建立了抽水蓄能電站庫盆滲漏量統(tǒng)計(jì)模型，監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型預(yù)測計(jì)算結(jié)果基本一致，表明該模型具有較高的擬合精度。該模型可普遍適用于其他熔抹PVC改性瀝青處理的混凝土防滲結(jié)構(gòu)。

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【責(zé)任編輯 張華巖】