林 文 徐力群

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京 210098)

抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)多布設(shè)于山體內(nèi)部,在山體地下水、復(fù)雜地質(zhì)條件、隧洞充水運行時所受內(nèi)壓、眾多地下洞室結(jié)構(gòu)及多種滲控措施等因素的共同作用下,常形成復(fù)雜滲流場.

地下廠房內(nèi)部安裝有眾多機電設(shè)備,其安全運行需要干燥環(huán)境[1],因而有必要對輸水發(fā)電系統(tǒng)滲流場進行數(shù)值模擬分析,論證輸水發(fā)電系統(tǒng)正常運行時襯砌、排水廊道、排水孔幕等滲控措施的防滲和引排滲水效果,從而對設(shè)計滲控方案進行綜合分析評價.為分析抽水蓄能電站正常運行情況下防滲排水措施對地下廠房滲流場的控制效果,周斌等[1]采用修正結(jié)點虛流量法和排水孔二次剖分技術(shù)相結(jié)合的方法對洪屏抽水蓄能電站滲流場進行了計算分析;劉昌軍等[2]采用GWSS對文登抽水蓄能電站滲流特性和引水系統(tǒng)外水壓力等進行了計算分析;蔣海云等[3]對句容抽水蓄能電站滲流場水頭分布和地下廠房滲流特性進行了分析;許增光等[4]利用新的排水孔仿真方法對清原抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的流量、外部水壓、水力梯度進行了計算分析;溫立峰等[5]采用全局模型和子模型相結(jié)合的穩(wěn)定滲流分析方法對烏弄龍地下廠房的滲流控制系統(tǒng)進行了綜合評價;王曉等[6]對比分析了某水電站防滲排水系統(tǒng)是否正常運行情況下的廠區(qū)滲流特性;楊明山等[7]對比分析了排水孔是否失效情況下的廠區(qū)滲流特性和引水管道外水壓力分布,對廠區(qū)排水措施的滲控效果進行了綜合評價;王珊等[8]采用改進的排水子結(jié)構(gòu)法模擬排水孔,計算分析了某電站防滲排水系統(tǒng)在正常運行、降雨、排水孔間距不同等工況下的滲控效果,論證了防滲排水系統(tǒng)布置的合理性;張巍等[9]對某電站高壓岔管處滲流場分布、滲透坡降分布及各洞室滲透流量進行計算分析,論證了在高壓隧洞處設(shè)置防滲排水措施的合理性;鄭華康等[10]通過對牙根二級水電站地下廠房滲流場分析,驗證了防滲帷幕、排水孔幕和排水廊道組成的廠房防滲系統(tǒng)的合理有效性;Tang等[11]基于子結(jié)構(gòu)技術(shù)等數(shù)值分析方法對電站三維滲流場進行模擬,依據(jù)計算成果評價了廠區(qū)防滲系統(tǒng)的性能.

對于輸水發(fā)電系統(tǒng)滲控措施及其效果的研究,主要集中在廠區(qū)滲流特性和外水壓力分布上,而對輸水系統(tǒng)及廠區(qū)滲透流量、斷層對滲流場的影響等方面的研究較少.本文依據(jù)工程實際資料,建立輸水發(fā)電系統(tǒng)三維有限元模型,對輸水發(fā)電系統(tǒng)正常運行情況下的滲流特性、最大滲透坡降、輸水系統(tǒng)沿軸線方向外水壓力水頭分布、引水系統(tǒng)和地下廠房洞室群滲透流量進行計算分析,以此綜合評價設(shè)計滲控方案的合理有效性.

1 工程概況

某抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫等建筑物組成.上水庫采用瀝青混凝土簡式面板防滲,正常蓄水位390 m,死水位356 m.下水庫攔河壩為碾壓混凝土重力壩,正常蓄水位151 m,死水位139 m.輸水系統(tǒng)包括引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng),引水系統(tǒng)采用一洞兩機的布置型式,設(shè)1號、2號兩條平行布置的主洞,尾水系統(tǒng)采用一洞一機的布置型式,設(shè)1號到4號四條采用龍?zhí)ь^方式平行布置的主洞.高壓管道由主管、岔管和支管組成,設(shè)1號、2號兩根主管和1號到4號四根支管,主管與支管通過對稱“Y”形岔管連接.地下廠房系統(tǒng)主要由地下廠房、主變洞等洞室群、排風(fēng)豎井等組成,地下廠房位于引水系統(tǒng)尾部,設(shè)1號到4號四臺機組.樞紐平面布置如圖1所示.

圖1 樞紐平面布置示意圖

該電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布設(shè)于上、下水庫之間的山體內(nèi)部,所在區(qū)域地形變化較大,沿線地面海拔高程為158～503 m.工程區(qū)內(nèi)出露基巖巖性主要為震旦系下統(tǒng)永寧組變質(zhì)長石砂巖、燕山早期二長花崗斑巖,局部見二長花崗斑巖、花崗閃長斑巖、石英閃長玢巖等侵入巖脈,第四系地層主要分布于河床、支溝及岸坡上.工程區(qū)內(nèi)不發(fā)育較大的區(qū)域性斷裂,在廠房探洞內(nèi)共揭露24條斷層,出露寬度小于5 m,延伸長度為260～1 500 m.廠區(qū)斷層內(nèi)主要充填斷層泥、碎裂巖等,部分?jǐn)鄬訋?nèi)蝕變嚴(yán)重,影響帶內(nèi)巖體破碎,且多呈現(xiàn)滴水現(xiàn)象.

圖2為沿著2號引水隧洞、2號高壓管道主管、4號高壓管道支管和4 號尾水隧洞所取剖面(A-B 剖面)工程地質(zhì)示意圖.工程區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,第四系孔隙潛水主要靠河流上游來水和大氣降水補給,排泄于溝谷、河流及地勢低洼處,且多為就地補給、就地排泄;基巖裂隙水以大氣降水與孔隙潛水滲入補給為主,排泄于溝谷及河道內(nèi).工程區(qū)地下水位總體隨地形起伏,分水嶺等地勢較高處地下水位高,且隨季節(jié)變化較明顯.

圖2 A-B剖面工程地質(zhì)示意圖

輸水系統(tǒng)襯砌采用鋼筋混凝土襯砌和鋼襯相結(jié)合的布置方式.上、下水庫進出水口采用鋼筋混凝土襯砌.引水隧洞內(nèi)徑8.6 m,采用鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度為0.6 m.高壓管道主管管徑8.6～7.6 m,采用鋼筋混凝土襯砌,高壓管道岔管采用對稱“Y”形鋼筋混凝土岔管,高壓管道支管管徑4.6 m,采用鋼板襯砌.尾水隧洞內(nèi)徑6.8 m,底板高程57 m,自廠房尾水管層出口100 m 內(nèi)采用鋼板襯砌,其余部分采用鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度為0.6 m.

為引排廠區(qū)地下滲水,環(huán)繞地下廠房和主變洞周邊設(shè)有三層排水廊道,自上而下分別設(shè)在主廠房頂拱部位、發(fā)電機層、尾水管層高程處.上、下層排水廊道斷面凈尺寸為3 m×3 m,中層排水廊道斷面凈尺寸為4 m×4 m.在上層排水廊道處布設(shè)向上的斜排水孔(L=40 m,Φ=50 mm,間距4 m),形成“屋面形”排水孔幕.在上、中、下層排水廊道之間布設(shè)孔徑為50 mm的豎向排水孔,環(huán)繞地下廠房和主變洞周邊形成排水孔幕.在廠區(qū)前設(shè)置一層高壓排水廊道,斷面凈尺寸為3 m×3 m,與上層排水廊道相連.所有排水廊道的積水和排水孔滲水均排至廠房底部的集水井.地下廠房區(qū)域滲控措施布置如圖3所示.

圖3 地下廠房區(qū)域滲控措施布置示意圖

2 計算原理及方法

依據(jù)本工程地勘等實測資料,采用集斷層為一體的超等效連續(xù)介質(zhì)模型,基于飽和-非飽和滲流基本理論來研究輸水發(fā)電系統(tǒng)的滲流問題.

2.1 基本微分方程

根據(jù)飽和-非飽和滲流連續(xù)性方程、達西定律、體積含水率和壓力水頭之間的關(guān)系[12]可推導(dǎo)出基本微分方程為:

式中:xi、xj為位置水頭;hc為壓力水頭為飽和滲透系數(shù)張量為中j=3時的滲透系數(shù)值;kr為相對透水率,在飽和區(qū)kr=1,非飽和區(qū)0＜kr＜1;Q為源匯項;C為比容水度,正壓區(qū)為0;β為飽和非飽和選擇參數(shù),飽和區(qū)為1,非飽和區(qū)為0;Ss為彈性貯水率,非飽和土體中為0.

2.2 定解條件

①初始條件

②邊界條件

式中:t0為初始時刻;Γ1、Γ2、Γ3、Γ4分別為已知水頭邊界、已知流量邊界、飽和逸出面邊界、非飽和逸出面邊界;hc1為已知水頭;ni為邊界面外法線方向余弦;qr(t)為降雨入滲流量.

2.3 滲透流量計算方法

當(dāng)工程區(qū)地質(zhì)條件和材料分區(qū)較為復(fù)雜時,計算滲流場的單元網(wǎng)格常是不規(guī)則的,采用中斷面法計算通過某一斷面的滲透流量時,其計算斷面是不規(guī)則的,計算不便且計算精度會大大降低.結(jié)合工程實際情況,采用任意斷面插值網(wǎng)格法計算滲透流量,具體計算原理及步驟參見文獻[13].

3 滲流場計算模型

3.1 計算模型

在綜合分析計算區(qū)域內(nèi)的地形、巖層等特征的基礎(chǔ)上,依據(jù)工程地質(zhì)勘測和設(shè)計資料,結(jié)合斷層寬度、涌水量等因素,重點考慮f10、f28、f29三條斷層,采用斷面節(jié)點控制法[14]形成三維超單元網(wǎng)格,經(jīng)網(wǎng)格加密細分后形成的有限元網(wǎng)格結(jié)點總數(shù)為47545個,單元總數(shù)為45 278個.計算區(qū)域三維有限元網(wǎng)格如圖4(a)所示,模型包括部分上水庫、引水隧洞、高壓管道、地下廠房、尾水隧洞等建筑物.模型X方向為順管道軸線(垂直于地下廠房軸線)方向,指向下游為正;Y方向為垂直于管道軸線(平行于地下廠房軸線)方向,從1號到4號機組方向為正;Z方向為豎直向,以高程為坐標(biāo),向上為正.

上水庫庫盆、堆石主壩、工程區(qū)巖體分區(qū)等按其實際情況進行模擬.上水庫進出水口、引水隧洞、高壓管道、尾水隧洞等圓形截面結(jié)構(gòu)和地下廠房、主變洞、排水廊道等城門洞式結(jié)構(gòu)按面積等效的方式進行模擬.輸水發(fā)電系統(tǒng)各組成部分布置方式和具體位置依照平面布置圖、剖面布置圖等工程資料按其實際情況模擬.斷層f10、f28、f29按其實際產(chǎn)狀和寬度進行模擬.輸水系統(tǒng)、地下廠房區(qū)域及斷層有限元網(wǎng)格如圖4(b)所示.

圖4 計算區(qū)域三維有限元網(wǎng)格圖

3.2 計算邊界

結(jié)合工程實際,該電站輸水發(fā)電系統(tǒng)三維滲流場計算分析的邊界主要有已知水頭邊界、出滲邊界和不透水邊界[15-16]3種:

1)已知水頭邊界包括上、下庫水位線以下的水庫庫底、庫岸、主壩上游坡、左右岸兩側(cè)按地下水位給定水頭的截取邊界和輸水系統(tǒng)充水時管道內(nèi)部.

2)出滲邊界為上、下庫水位線以上的山坡面、主壩壩頂和壩體下游面.由于對排水孔進行等效模擬,本次計算時將排水廊道頂、底邊界亦設(shè)為出滲邊界.

3)不透水邊界包括模型底邊界、上下游兩側(cè)及左右岸兩側(cè)除按地下水位給定水頭外的截取邊界.

3.3 計算參數(shù)

為獲得巖體和斷層合理的滲透系數(shù),根據(jù)地質(zhì)勘測資料中的鉆孔水位,采用可變?nèi)莶罘╗17]進行初始滲流場下巖體和斷層滲透系數(shù)反演分析.結(jié)合反演分析成果、上水庫工程資料和計算分析成果及已有的類似工程經(jīng)驗,計算區(qū)域內(nèi)各材料的滲透系數(shù)見表1.

表1 計算區(qū)域內(nèi)各材料的滲透系數(shù)

3.4 計算工況

為綜合分析設(shè)計滲控方案的滲控效果,選定輸水發(fā)電系統(tǒng)正常運行(輸水系統(tǒng)襯砌、排水廊道及排水孔幕等均完好)作為滲流場計算分析工況,計算分析時計算水位僅考慮上庫水位390 m,下庫水位139 m.

4 滲流場計算結(jié)果分析

采用三維滲流有限元計算方法對輸水發(fā)電系統(tǒng)滲流場進行計算分析,得到輸水發(fā)電系統(tǒng)地下水位等值線圖、位勢分布圖等數(shù)據(jù);采用任意斷面插值網(wǎng)格法獲得各部位滲透流量.

4.1 輸水發(fā)電系統(tǒng)滲流特性分析

根據(jù)滲流場計算分析成果,輸水發(fā)電系統(tǒng)正常運行時的地下水位等值線分布如圖5所示.

圖5 地下水位等值線分布圖(單位:m)

由圖5可知:1)由于上水庫采用瀝青混凝土面板防滲及在模型左右岸兩側(cè)部分截斷邊界處施加已知水頭邊界,上水庫對地下水位影響較小,地下水位等值線分布總體呈現(xiàn)為從左右岸截斷邊界轉(zhuǎn)折處往上游壩坡和下游逐步減小,在地下廠房處達到最小,地下水位等值線分布規(guī)律合理;2)地下廠房周圍地下水位等值線密集,且呈環(huán)狀,在內(nèi)部基本沒有地下水位等值線分布,而密集分布區(qū)域正是環(huán)繞地下廠房和主變洞設(shè)置的排水廊道所在位置,可見地下廠房處滲控措施起到了良好的效果,滲水通過排水孔幕等流入廊道,保證了地下廠房區(qū)域的疏干.

剖面A-B處(具體位置如圖1所示)的地下水位位勢分布圖和廠房區(qū)域位勢分布局部放大圖分別如圖6～7所示.由圖6～7可知:1)在排水廊道、排水孔幕的共同作用下,地下廠房區(qū)形成明顯的水位漏斗,自由面在地下廠房上游側(cè)驟降,下游側(cè)自由面有小幅度下跌,且自由面基本沿著廊道和排水孔前行,廠區(qū)大部分滲水流入排水廊道;2)地下廠房所在區(qū)域位勢小,進入廠房的壓力水頭值小,廠房所在區(qū)域大部分處于干燥狀態(tài);3)結(jié)合圖5,在地下廠房上游側(cè)地下水位等值線和位勢分布均存在向上游彎曲現(xiàn)象,主要原因是此處設(shè)計的高壓排水廊道起到一定的排滲作用,部分滲水流入高壓排水廊道,改變了滲流場位勢分布.在排水廊道、排水孔幕和高壓排水廊道的共同作用下,廠房周圍滲水得到有效控制,排水效果良好,可見在廠區(qū)采用多層排水廊道、排水孔幕和高壓排水廊道相結(jié)合的排滲方式在技術(shù)上是合理有效的.

圖6 剖面A-B地下水位位勢分布圖(單位:m)

圖7 地下廠房區(qū)域地下水位位勢分布局部放大圖(單位:m)

4.2 輸水發(fā)電系統(tǒng)各部位最大滲透坡降

根據(jù)計算分析成果,剖面A-B 處各部位最大滲透坡降見表2.

表2 剖面A-B處各部位最大滲透坡降

由表2可知:1)剖面A-B 處最大滲透坡降在高壓支管和地下廠房洞室群處較大,主要是由于地下廠房洞室群的完建,排水孔幕和排水廊道發(fā)揮了良好的排滲作用,較大地改變了地下水的流態(tài),在地下廠房上游側(cè)形成浸潤面陡然下降的趨勢,形成明顯的“水位漏斗”.2)輸水發(fā)電系統(tǒng)充水正常運行情況下,滲透坡降在地下廠房洞室群處最大,最大值為1.86,可滿足圍巖的滲透穩(wěn)定性要求.

4.3 輸水系統(tǒng)沿軸線方向外水壓力分布

為分析輸水系統(tǒng)沿軸線方向各計算部位外水壓力分布情況,選取2號引水隧洞、2號高壓管道主管、4號高壓管道支管和4號尾水隧洞作為本次計算分析段,該處輸水系統(tǒng)沿軸線方向各計算部位外水壓力水頭值見表3.

表3 輸水系統(tǒng)沿軸線外水壓力水頭值

由圖6和表3可知:1)引水隧洞、高壓管道、尾水隧洞均承受一定的外水壓力,輸水系統(tǒng)絕大部分位于自由面以下;2)輸水系統(tǒng)沿軸線外水壓力水頭在高壓管道平段起始端處達到最大,最大值為191.39 m,輸水系統(tǒng)大部分位于微新風(fēng)化巖層,根據(jù)地勘資料和設(shè)計規(guī)范[18],作用于該處管道襯砌上的外水壓力折減系數(shù)可取0.4,故A-B剖面輸水系統(tǒng)襯砌所受外水壓力最大值為0.75 MPa,避免了因外水壓力過大而在高壓管道處發(fā)生破壞;3)引水隧洞外水壓力沿程降低,壓力水頭從87.46 m 降低至57.59 m,高壓管道平段處外水壓力水頭由193.39 m 降低至8.52 m,且外水壓力水頭在廠房左側(cè)排水廊道前出現(xiàn)大幅度下降,尾水隧洞外水壓力水頭在廠房右側(cè)排水廊道至龍?zhí)ь^上彎段處變化幅度不大.

4.4 引水系統(tǒng)滲透流量

輸水系統(tǒng)充水正常運行情況下,隧洞襯砌所受內(nèi)壓為上游壓力水頭,外壓為襯砌外表所受的外水壓力(由滲流場計算求得),二者存在壓力差,一般表現(xiàn)為內(nèi)水外滲.對于鋼襯段,由于鋼板不透水,因此鋼板襯砌段的滲透流量為零.由圖6和工程資料可知,尾水系統(tǒng)內(nèi)外壓差較大段為鋼板襯砌段,滲透流量為零,而其鋼筋混凝土襯砌段內(nèi)外壓差較小,滲透流量很小,故不對尾水系統(tǒng)滲透流量進行計算分析.斷層f28、f29影響區(qū)域主要為引水系統(tǒng),斷層f10與尾水隧洞交于隧洞龍?zhí)ь^處,主要影響尾水系統(tǒng)滲流場.針對較大斷層對輸水系統(tǒng)滲流場的影響問題,本次計算主要研究斷層灌漿處理對引水系統(tǒng)滲透流量的影響,其中灌漿處理后斷層的滲透系數(shù)取為1×10-5cm/s.

引水系統(tǒng)總滲透流量為引水隧洞和高壓管道中采用鋼筋混凝土襯砌的各段滲透流量之和.斷層灌漿處理前后引水系統(tǒng)滲透流量見表4.

表4 斷層處理前后引水系統(tǒng)滲透流量

由表4可知:1)未對斷層進行處理時引水系統(tǒng)總滲透流量為375.49 m3/d,引水隧洞處滲透流量為205.35 m3/d,占總滲透流量的54.69%;2)在輸水發(fā)電系統(tǒng)正常運行情況下,斷層灌漿處理后引水隧洞處滲透流量減少了3.59 m3/d,高壓管道處滲透流量減少了17 m3/d,變化幅度不大,主要原因是灌漿處理前后其滲透系數(shù)僅相差一個數(shù)量級,對引水系統(tǒng)滲流場作用效果有限.

引水隧洞總長約800 m,高壓管道鋼筋混凝土襯砌段長約400 m,在鋼筋混凝土襯砌和鋼板襯砌完好情況下,引水系統(tǒng)雖會出現(xiàn)一定的滲漏,但總滲透流量不大,可見鋼筋混凝土襯砌和鋼襯起到了良好的防滲效果.由于斷層本身滲透系數(shù)較小,在輸水發(fā)電系統(tǒng)正常運行情況下,斷層灌漿處理后引水系統(tǒng)滲透流量有小幅度的下降,可見斷層對引水系統(tǒng)滲流場有一定影響,但影響程度不大.然而在實際情況下,圍巖的地質(zhì)條件較復(fù)雜,鋼筋混凝土襯砌可能存在裂縫,質(zhì)量也存在不確定性,出于安全考慮,建議對斷層影響區(qū)加強圍巖固結(jié)灌漿.

4.5 地下廠房洞室群滲透流量

地下廠房洞室群各洞室滲透流量及各洞室滲透流量與總滲透流量的比值如圖8所示.

圖8 地下廠房洞室群滲透流量

由圖8 可知:1)地下廠房洞室群總滲透流量為1246.77 m3/d,排水廊道處滲透流量為601.30 m3/d,占總滲透流量的48.23%,約為其他洞室滲透流量之和;2)地下廠房處滲透流量為264.17 m3/d,主變洞處滲透流量為264.17 m3/d,結(jié)合圖6～7分析可知,地下廠房處滲透流量主要是由于廠房底部位于自由面以下,存在一定的繞滲導(dǎo)致的,而主變洞基本位于自由面以上,滲透流量小,故其滲透流量占比小.

排水廊道處滲透流量占比最大,起到了良好的排滲效果,可見環(huán)繞地下廠房和主變洞周邊布設(shè)排水廊道的排滲方式可以有效引排廠區(qū)周圍滲水.

5 結(jié)論

1)依據(jù)工程資料,建立某抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)三維有限元模型,采用有限元法進行計算分析,計算結(jié)果表明:輸水系統(tǒng)采用鋼筋混凝土襯砌和鋼板襯砌相結(jié)合的防滲方式,地下廠房區(qū)域采用多層排水廊道、排水孔幕和高壓排水廊道相結(jié)合的排滲方式可有效防滲并降低地下水位和引排滲水,滲控效果良好,可滿足工程區(qū)防滲排水要求,在技術(shù)上該設(shè)計滲控方案是合理有效的.目前本工程處于可行性研究階段,本文計算分析成果可為工程設(shè)計和施工提供一定的理論指導(dǎo).

2)輸水發(fā)電系統(tǒng)各部位滲透坡降不大,可滿足圍巖滲透穩(wěn)定性要求.

3)輸水系統(tǒng)大部分部位均承受一定的外水壓力,輸水系統(tǒng)沿軸線方向外水壓力水頭在廠房左側(cè)排水廊道前出現(xiàn)大幅度下降.

4)輸水發(fā)電系統(tǒng)正常運行情況下,斷層灌漿處理后引水系統(tǒng)總滲透流量比處理前下降了5.48%,變化幅度不大,斷層對引水系統(tǒng)滲流場影響程度不大,由于工程實際情況復(fù)雜,建議對斷層影響區(qū)加強圍巖固結(jié)灌漿.

5)廠區(qū)排水廊道處滲透流量最大,地下廠房和主變洞等雖有一定的滲透流量,但大部分處于干燥狀態(tài),可為廠房內(nèi)部機電設(shè)備的安全運行提供保障.