某抽水蓄能電站地下廠房不同工況下排水量數值計算

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 浙江杭州 310000

摘要：廠房區排水量的能力，很大程度上決定了其工程特性，尤其是巖溶區的發育特征，其是評價庫區水文地質條件的一項重要指標，同時定量化分析也是難題之一。根據實際工程應用的需要，采用多工況組合計算方法，研究了廠房區滲流場的特性，并計算了了其排水量。由計算結果可知，帷幕對排水量的影響較大，排水廊道對排水量也起到較大的影響，巖體的各向異性特點對地下廠房處排水廊道和地下廠房排水量的影響非常顯著，陡傾角裂隙使得地下廠房底板高程處地下水的涌量大增，符合一般工程規律，分析結果證明該計算方法適應性強、精度高、應用方便、實用性好。

關鍵詞：水文地質；抽水蓄能電站；廠房；排水量；數值模擬

1 工程概況

某抽水蓄能電站位于江蘇省境內，裝機容量1350MW。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房等建筑物組成。上水庫面板堆石壩最大壩高183.5m，總庫容1703萬m3；下水庫面板堆石壩最大壩高33.4m，總庫容1676萬m3。地下廠房出露的地層巖性：寒武系觀音臺群下段含泥質白云巖；炮臺山組的泥質白云巖、碎屑白云巖；幕府山組的含磷灰質白云巖；震旦系燈影組的細晶白云巖，侵入有并有閃長玢巖巖脈，斷層發育。巖石均為微風化～新鮮，巖質堅硬，巖體以較完整～完整為主，圍巖分類以Ⅲ類為主，局部為Ⅳ類。

2 模型建立及工況組合

2.1 水文地質參數確定

關于巖體滲透系數張量的確定方法，國內外許多學者做了大量工作，歸納起來可分為四種：裂隙樣本法、抽水試驗法、壓水試驗法和數值反演法[1-2]。

四類方法各有優缺點，適合于不同的水文地質條件和實際工程情況。本文為了達到較高的計算精度，采用壓水試驗來確定相關水文地質參數。根據壩區巖體結構面發育特征和巖體的風化特點，將計算區域內的巖體在垂直方向上分為三個區，自上而下為全強風化帶巖體、弱風化帶巖體和微新風化帶巖體。（1）全強風化帶巖體的平均呂容值為38.2Lu，折算成滲透系數為0.42m/d；（2）弱風化帶巖體的平均呂容值為4.5Lu，折算成滲透系數為0.048m/d；（3）微新風化帶巖體的呂容值取1.0Lu，折算成滲透系數為0.011m/d。在地下廠房處設置帷幕。由于研究區北西向裂隙較北東向裂隙發育，所以計算時把各向同性的滲透系數換算成北西向巖體的滲透系數為北東向巖體滲透系數的2倍，其總的大小不變。

2.2 計算區域的選取及模型建立

計算區域主要是地下廠房區域，其范圍如圖1所示。

圖1 計算區域示意圖

在選取計算區域時，以地下廠房區為主，同時考慮地形、地質條件和有利于邊界條件的確定。正北方向為x軸；正西方向為y軸；垂直向上為z軸。上、下庫盆處作為第一類邊界，上庫盆處的北部及東部以分水嶺為邊界，作為第二類邊界，地下廠房四周壁作為溢出面處理。其余邊界均為零流量邊界處理。計算時，地下廠房處若有帷幕，帷幕的厚度取5m，帷幕的滲透系數取10-5cm/s。計算區域共剖分了20096個節點，18750個單元。

2.3 工況組合方案

結合影響地下廠房排水量的主要因素：地下廠房外圍有無帷幕，有無排水，天然條件和蓄水工況等共計算了7種方案。

方案1：上水庫未蓄水；無帷幕、無排水；巖體的滲透性為各向異性，北西向巖體的滲透系數為北東向巖體滲透系數的2倍。

方案2：上水庫未蓄水；帷幕已建成，帷幕的滲透系數為10-5cm/s，但是無排水；巖體的滲透性為各向異性，北西向巖體的滲透系數為北東向巖體滲透系數的2倍。

方案3：上水庫未蓄水；有排水，且設置三層排水（高程分別為55m、25m、-10m），但是無帷幕；巖體的滲透性為各向異性，北西向巖體的滲透系數為北東向巖體滲透系數的2倍。

方案4：上水庫未蓄水；帷幕和排水均已完成，帷幕的滲透系數為10-5cm/s，設置三層排水（高程分別為55m、25m、-10m）；巖體的滲透性為各向異性，北西向巖體的滲透系數為北東向巖體滲透系數的2倍。

方案5：上水庫已建成，土工布和鋼筋混凝土面板正常，水庫蓄水至267m高程；帷幕已建成，帷幕的滲透系數為10-5cm/s，但是無排水；巖體的滲透性為各向異性，北西向巖體的滲透系數為北東向巖體滲透系數的2倍。

方案6：上水庫已建成，土工布和鋼筋混凝土面板正常，水庫蓄水至267m高程；排水已建成，設置三層排水（高程分別為55m、25m、-10m）；但是無帷幕；巖體的滲透性為各向異性，北西向巖體的滲透系數為北東向巖體滲透系數的2倍。

方案7：上水庫已建成，土工布和鋼筋混凝土面板正常，水庫蓄水至267m高程；帷幕和排水均已完成；巖體的滲透性為各向異性，北西向巖體的滲透系數為北東向巖體滲透系數的2倍。

3 計算結果及分析

（1）帷幕對排水量的影響

在天然條件下，無帷幕（方案3）時排水廊道的排水量為2673.8m3/d，地下廠房的排水量為427.9m3/d；而有帷幕（方案4）時，排水廊道的排水量為1546.5m3/d，地下廠房的排水量為403.7m3/d。在上庫正常蓄水后，水庫的防滲措施正常的情況下，無帷幕（方案6）時排水廊道的排水量為2681.9m3/d，地下廠房的排水量為414.8 m3/d。由此可見，帷幕的作用可以大大減小排水廊道的排水量，所以在地下廠房外圍設置帷幕是非常必要的。但是應注意的是帷幕只能阻擋四周來水，而無法減少地下廠房底板高程處地下水的上涌量。

（2）排水廊道對排水量的影響

在天然條件下，無排水廊道（方案2）時，地下廠房的排水量為1589.6 m3/d；而有排水廊道（方案4）時，地下廠房的排水量為403.7m3/d。在上庫正常蓄水后，水庫的防滲措施正常的情況下，無排水廊道（方案5）時，地下廠房的排水量為1620.6m3/d；由此可見，排水廊道的作用可以大大減小地下廠房的排水量。

（3）巖體的性質對排水量的影響

由于巖體中大量發育斷層和裂隙，特別是陡傾角的斷層和裂隙，使得裂隙巖體具有非均質各向異性的特點。所以又作了巖體各向異性的程度對排水量的敏感性分析。方案7中考慮巖體北北東向的滲透性是北西西向的5倍，排水廊道的排水量4025.6m3/d，地下廠房的排水量為769.6 m3/d；由此可見巖體的各向異性特點對地下廠房處排水廊道和地下廠房排水量的影響非常的顯著，陡傾角裂隙使得地下廠房底板高程處地下水的上涌量大增。

4 結 論

綜上可見，上庫盆防滲效果對地下廠房處排水廊道和地下廠房排水量的影響很小。其原因是因為帷幕可以擋住四周來水。所以僅從減少地下廠房排水量的角度來講，進行專門的上庫防滲效果不顯著。該結論是以上庫內無通向地下廠房區的斷層為前提，若有這樣的斷層，則地下廠房排水量會增大，故建議對上庫區內的斷層進行必要的封堵。

參考文獻：

[1]柴軍瑞.壩基非達西滲流分析[J].水電能源科學，2001，19（4）：1-3

[2]代群力.地下水非線性流動模擬[J].水文地質工程地質，2000（2）：50-51

[3]Bear J. Hydraulics of Ground water[M]. New York：McGraw-Hill，1979

[4]李康宏，柴軍瑞. 壩基滲流分析兩種數值方法的比較[J].紅水河，2003，22（4）：14-17

[5]閆澍旺，王瑞鋼，王學軍，李少明. 白石水庫滲流場有限元分析[J].水力發電學報，2003，2：53-61.

作者簡介：

谷金操，1988年，工程師，主要從事水電站廠房工程研究。