桓仁抽水蓄能電站上庫庫區滲流場三維有限元分析

孫 博

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

隨著我國經濟的飛速發展和居民日常生活用電量的增加[1]，目前我國電力的發展并不能滿足人民的用電需求，所以找到更加有效的發電手段，成了我國能源部門接下來的主要任務。事實證明，抽水蓄能電站是一種十分高效的發電裝置[2]，能很好地提供電能。隨著抽水蓄能電站的不斷發展，我國的電力需求逐漸得到滿足。

在抽水蓄能電站中，要對上庫區[3]的滲流破壞重點對待，上庫一般缺乏天然徑流[4]，上庫區大部分要直接接受水壓力的作用，整個樞紐工程的安全穩定都與滲流問題有關。滲流問題不僅會造成上庫庫區的嚴重滲漏和經濟損失，還會對其它水工建筑物產生非常不利的滲透壓力，也可能引起壩基壩址的滲透變形破壞，對抽水蓄能電站的安全穩定造成十分不利的影響。如果不能及時引起相關人員的重視并進行處理，必將危及到抽水蓄能電站的整體穩定性[5]。因此，在抽水蓄能電站的設計中，首先要求工程設計人員必須熟練掌握滲透規律，并對工程已經產生的滲流問題進行分析治理來防止災難的發生。本文將以桓仁抽水蓄能電站上庫工程為實例，具體分析滲流破壞對抽水蓄能電站上庫區的影響，并試圖找到可以解決滲流破壞的辦法。

1 工程概況

桓仁抽水蓄能電站建于遼寧省桓仁縣內，上庫建于桓仁水庫近壩庫區左岸通天溝內，下庫使用之前建成的桓仁水庫，水庫距離桓仁縣4km遠。上庫正常蓄水位463.00m，死水位432.50m，電站裝機容量800MW。上水庫最大庫容為1816×104m3，安全等級為二等大⑵型工程，主要建筑物級別為2級，主壩按1級建筑物設計[6]。主壩為面板堆石壩，壩軸線方位角NW316°45′36″，壩頂高程為466.20m，最大壩高106.00m，壩頂長為632m[7]；副壩為混凝土重力壩，最大壩高14.50m，壩頂高程為465.80m，壩頂長402m。主要建筑物地震設計烈度為6度。

上庫區東挨桓仁水庫，西邊臨近渾江，上庫區地形如圖1所示。上池庫區為一三面環山的洼地，庫周分水嶺總長約2.1km，分水嶺厚一般為200～400m，最厚為800m，最薄處僅100m左右。總體來看，除北側牤牛哨溝埡口外，庫盆封閉條件尚好。但庫外由于渾江河谷深切，上庫東、西、北三面臨空，多呈陡崖地形，分水嶺多不寬厚，加之陡崖卸荷裂隙發育，地下水排泄條件較好，地下水位普遍埋藏較深[8]，因此，水庫滲漏問題較突出。

圖1 桓仁上庫地形與樞紐圖

2 上庫防滲帷幕布置優化分析

為了比較各工況下上庫區防滲系統的防滲效果，提出防滲帷幕合理的優化布置方案，利用飽和滲流理論[9]和有限元原理[10]等理論方法，建立上庫運行期三維有限元模型，分析上庫運行期滲流場的變化規律。通過對庫盆和壩體滲透流量和滲透坡降的分析，得到了不同帷幕條件下的帷幕所能達到的防滲效果。這里考慮的運行期是指上庫蓄水后上庫區形成穩定滲流場。

2.1 三維有限元計算模型

運行期計算模型規劃范圍，如圖2所示。

圖2 運行期模型規劃范圍及部分控制面

基于桓仁抽水蓄能電站上庫天然期地下水有限元模型，運行期有限元模型又加入了很多新的結構，包括開挖、主壩、副壩、防滲帷幕、庫底回填和防護及庫岸排水廊道等結構。建立模型時，各主要建筑物均按實際尺寸考慮。按照水工建筑物的位置、地層巖性和模型需求，設置控制面14個。根據這14個控制面離散出超單元結構[11]，這個超單元結構的結點個數為1352，超單元個數為933；接著精確劃分形成有限元網格，剖分成的有限元網格結點個數為31545，單元個數為30106。上庫區有限元型網格如圖3所示，垂直防滲帷幕、主壩混凝土面板、基礎排水體和壩體等上庫主要結構有限元網格如圖4所示。

圖4 上庫主要結構有限元網格圖

運行期模型中提到的計算參數，均參考工程概況、水文地質資料和相關規范，并結合天然地下水滲流場反演分析確定。

(1)壩基巖體各層滲透參數，見表1。

(2)壩體各料區滲透參數，見表2。

(3)帷幕灌漿幕體滲透系數，見表3。

表1 壩體各料區滲透參數

表2 壩體各料區滲透參數 單位：m/s

表3 帷幕灌漿幕體滲透系數

2.2 計算工況

為了分析推薦方案的合理性及對推薦方案進行優化分析，確定多組對比工況進行防滲帷幕布置分析，詳細計算工況見表4。計算分析各工況滲流場的位勢分布和滲流量大小，其中上庫庫水位取正常蓄水位463.00m，校核洪水位463.80m，下游水位為270m。

表4 防滲帷幕布置優化計算工況

經三維有限元計算，對典型剖面的關鍵位置進行比對分析，各剖面位置見表5。繪制等勢線剖面的位置如圖5所示。

圖5 等勢線剖面位置示意圖

序號坐標樁號部位A#(-762.3,724.2)(804.1,-969.2)壩右0+281.67壩體中央B#(1037.8,-793)(949.1,355.4)—庫盆中央

2.3 上庫區滲流場特性分析

各工況下，由運行期上庫區地下水位等值線如圖6所示，壩體及庫周剖面地下水位勢分布如圖7～11所示。

圖6 不同工況下地下水位等值線圖(單位：m)

圖7 SSK- 11工況位勢分布圖

圖8 SSK- 1工況位勢分布圖

圖11 SSK- 14工況位勢分布圖

上庫區滲流場擁有較為明確的位勢規律，左岸庫周地下水位略低于正常蓄水位，并且在無防滲帷幕的情況下，水位線分布比較稀疏，說明存在比較嚴重的滲漏問題。兩壩肩和右岸庫周地下水位低于正常蓄水位，因而庫內的水通過左右庫岸滲向左右岸庫周巖體內。地下水主要通過兩岸壩肩及右岸部分巖體滲向下游。

各工況下面板防滲體系削減水頭作用明顯，帷幕上游側地下水位勢抬升，通過面板的滲漏水能夠及時被粗砂層和墊層排走，并未在壩體中形成飽和區，因而浸潤面很低未經過上部壩體，僅在底部靠近建基面附近的覆蓋層內通過。由于左岸庫周地下水高于右岸庫周，因此庫盆區滲流場也隨之不對稱，右岸壩肩地下水變化較快，巖體內滲透坡降較大，左岸壩肩地下水位變化較慢，巖體內滲透坡降較小。

在正常蓄水位作用下，正常設計工況(工況SSK- 1)，帷幕削減水頭作用明顯，且帷幕下游庫底透水帶作用明顯，因而在帷幕下游并未形成承壓區，地下水流受防滲帷幕阻滲的影響，形成突降，浸潤面基本沿透水帶下降，地下水主要通過兩岸壩肩滲向下游。防滲帷幕深度整體縮短到5Lu工況(工況SSK- 12)、防滲帷幕深度整體縮短到10Lu工況(工況SSK- 13)和不設帷幕工況(工況SSK- 11)，帷幕防滲效果依次遞減，幕后水位逐漸增高，其中不設帷幕工況(工況SSK- 11)帷幕下游地下水位較高。

2.4 滲透坡降變化規律分析

由表6、7及各工況位勢分布圖可見，由于浸潤面很低并未進入上部壩體，壩體堆石區幾乎全部處于非飽和狀態，因而此處僅重點分析防滲體的滲透坡降。地下水通過左右岸庫岸和庫尾庫岸補給上庫，因而有必要分析左右岸庫岸和庫尾庫岸巖體滲透坡降。其中，庫盆防滲帷幕為布置在庫盆中庫底防護料以下巖體內的防滲帷幕。

表6 各工況下部分防滲體和庫岸巖體的最大平均滲透坡降表

表7 防滲帷幕的最大平均滲透坡降表

(1)面板滲透坡降計算結果表明,防滲帷幕布置的變化對面板滲透坡降幾乎沒有影響，面板滲透坡降維持在90.47左右，遠小于允許滲透坡降200。這是因為帷幕布置的變化基本對面板后地下水位沒有影響，且面板上最大作用水頭不變，帷幕布置的變化對面板的滲流性態幾乎沒有影響。

(2)庫盆防滲帷幕在設計方案(工況SSK- 1)庫盆防滲帷幕的最大平均坡降為5.53，出現在主壩壩基防滲帷幕線中點處，與防滲帷幕整體縮短(工況SSK- 12、工況SSK- 13)相比，各工況防滲帷幕的縮短使得其最大平均滲透坡降都略有減小。而(工況SSK- 14)的滲透帷幕深度雖然比設計方案(工況SSK- 1)長，最大平均滲透坡降卻跟設計方案(工況SSK- 1)相差不大，綜合成本施工難度考慮還是設計方案(工況SSK- 1)更加優化。各工況下壩基的最大平均滲透坡降均小于允許滲透坡降，滿足滲透安全穩定性要求。

(3)壩肩防滲帷幕在設計方案(工況SSK- 1)下，壩肩防滲帷幕最大平均滲透坡降在左右岸分別為7.93和2.74；相比防滲帷幕整體縮短(工況SSK- 12、工況SSK- 13)，防滲帷幕的縮短使得其最大平均滲透坡降都有減小。而(工況SSK- 14)的滲透帷幕深度雖然比設計方案(工況SSK- 1)長，最大平均滲透坡降卻跟設計方案(工況SSK- 1)相差不大，綜合成本施工難度考慮還是設計方案(工況SSK- 1)更加優化。帷幕滲透系數的改變對最大平均滲透坡降的影響較大。各工況下壩肩防滲帷幕滲透坡降均小于允許滲透坡降，滿足安全滲透穩定性要求。

(4)正常蓄水位情況下(工況SSK- 1)，庫岸巖體最大平均滲透坡降為0.239；相比防滲帷幕整體縮短(工況SSK- 12、工況SSK- 13、工況SSK- 14)，防滲帷幕的縮短使得其最大滲透坡降基本不變。各工況下庫岸最大平均滲透坡降均小于允許滲透坡降，滿足滲透安全穩定性要求。

2.5 滲透流量變化規律分析

帷幕深感性分析，研究帷幕深度與庫盆滲漏量之間規律，實現帷幕深度優化設計。壩基帷幕按照設計固定值深度不變，僅對庫周的防滲帷幕深度進行比較。計算在原地下水分布初始條件下進行。敏感性分析，共包括3個工況，分別將帷幕按1、5、10Lu滲透線控制。下面將計算結果與參考結果(僅壩基帷幕和100m帷幕)進行比較，見表8及如圖12所示。

表8 帷幕深度敏感性分析結果

圖12 不同帷幕深度布置庫盆滲漏量柱狀圖

結果表明，水庫滲漏量與帷幕深度呈負相關，既隨帷幕深度增大而減小。因為100m埋深以下巖體的透水率基本都可以達到1Lu以下，所以帷幕全部100m時滲漏量與帷幕做到1Lu滲透線比較接近，說明帷幕深度控制在1Lu滲透線已經足夠。

上庫區滲流場排布規律明確，庫水通過庫周滲向庫外。上庫區滲流場擁有較為明確的位勢規律，左岸庫周地下水位略低于正常蓄水位，并且在無垂直帷幕的情況下，水位線分布比較稀疏，說明存在比較嚴重的滲漏問題。左岸庫周地下水位低于正常蓄水位，兩壩肩和右岸庫周地下水位也均彽于正常蓄水位，因而庫內的水通過左右庫岸滲向左右岸庫周巖體內。地下水主要通過兩岸壩肩及右岸部分巖體滲向下游。面板削減水頭作用明顯，防滲帷幕深度和滲透系數的變化對其影響不大。隨著防滲帷幕深度的變化，左右岸壩肩和庫盆的防滲帷幕變化較大，當防滲帷幕深度達到設計方案(SSK- 1)要求的深度時，防滲效果最好，若繼續增加防滲帷幕深度則影響不大，故防滲帷幕設計方案是最優方案。

3 結語

通過上述分析可以看出在桓仁抽水蓄能電站上庫防滲帷幕推薦方案的基礎上，改變防滲帷幕的深度，發現隨著帷幕深度的縮短，帷幕防滲效果變差，幕后水位增高，帷幕最大平均滲透坡降有所減小，面板滲透坡降基本不變。說明了帷幕灌漿的效果好壞對防滲效果有直接的影響。綜上所述，上庫防滲推薦方案可以滿足防滲要求，其設計在技術上是合理的，且設計方案是防滲帷幕布置的最佳方案。

本文只是單純的從滲流角度去分析桓仁抽水蓄能電站上庫庫區滲流場，未能考慮應力場對滲流場的影響，今后還應進行應力場與滲流場耦合等問題的研究，以便獲得更精確的滲流特性結果，為工程設計、施工提供更好的支持。