國外某抽水蓄能電站三維滲流分析

洪佳敏，劉明華，倪紹虎，呂慷，鄭海圣

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

國外某抽水蓄能電站的地下廠區位于天然地下水位以下，為了評估廠區滲流控制方案的有效性，并對運行期、施工期滲漏流量進行預測，需要對地下廠區的工程布置與滲控措施進行精細模擬，并開展三維有限元滲流分析，從而獲取地下廠房圍巖的滲流特性。

采用穩定滲流分析方法，結合SVA算法[1]，通過建立廠區整體模型，就其滲流場分布特性進行計算分析，并對滲漏流量進行預測，可為工程建設提供合理的建議。

1 滲流分析理論

根據達西定律和質量守恒原理，穩定滲流控制微分方程為：

式中：h為水頭；kij為土體的滲透系數張量。

式（1）應滿足的邊界條件包括如下4類：

①水頭邊界條件

式中：Γ h為已知水頭邊界；hˉ為已知水頭。

②流量邊界條件

式中：Γ q為已知流量邊界；qn為邊界流量（滲入為正，溢出為負）；n為邊界面單位外法向向量。對于隔水邊界，qn=0。

③自由面邊界條件

式中：Γ f為自由面邊界；z為垂直向坐標。

④溢出面邊界條件

(4)如出現流沙現象，應改善泥漿性能，可在泥漿中加入適量的重晶石粉和CMC以增大泥漿密度和提高泥漿黏度，增大孔內泥漿壓力和形成泥皮的能力。

式中：Γ s為溢出面邊界。

滲流運動本質上受地下水的質量守恒方程和線性動量守恒方程控制，但其演化過程同時受初始條件、邊界條件和計算參數的制約。從物理機制上看，滲流控制可歸結為耦合過程控制、初始狀態控制、介質特性控制和邊界條件控制4 類[1-2]。在該抽水蓄能電站廠區滲流控制中，設置的排水廊道屬于邊界條件控制。上述問題可采用SVA 方法求解[3-6]。

2 計算模型

2.1 工程概況

該抽水蓄能電站裝機容量340 MW，主要用于調峰、調頻、事故備用、電壓調節、無功負荷及黑啟動等。工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和地面開關站組成。水庫無地表徑流補給，用從北部的加利利湖通到下水庫附近的水管進行初期蓄水和日常蒸發補給。

上水庫位于緩坡上，地面高程從南面的212 m往北逐漸降到185 m。上庫庫盆南部為開挖岸坡，其他部位為填筑土壩。正常蓄水位207.8 m，相應庫容310萬m3，死水位185.6 m，死庫容10萬m3。上庫采用全庫盆土工膜防滲。

下水庫庫區大部分地面高程介于-218～-226 m之間，但北側地形降到約-235 m。水庫北側采用土壩封閉，其余部位的庫盆由開挖形成，并采用復合土石壩沿庫周加高到壩頂。正常蓄水位-215.0 m，相應庫容310萬m3，死水位-235.75 m，死庫容10萬m3。下庫采用全庫盆土工膜防滲。

輸水系統總長3 163.28 m，其中引水系統1 508 m，尾水系統1 655.28 m。輸水系統主要建筑物包括上庫進水口、引水事故檢修閘門井、引水上平洞、引水調壓井、高壓豎井、高壓隧洞、引水岔管、引水支管、尾水支管、尾水岔管、尾水調壓井、尾水隧洞、下庫進水口等。引水及尾水系統均采用一管兩機布置，其中壓力管道豎井、壓力管道下平段與尾水管段采用鋼管襯砌，其余洞段則采用鋼筋混凝土襯砌。

地下廠房位于山體內約1 060 m，埋深約400 m。廠房中心線距離引水高壓豎井、上庫進出水口、下庫進出水口分別為220 m、1 100 m、1 730 m。廠房軸線方向為正北向。引水高壓支管垂直進入廠房，尾水支洞與廠房下游邊墻垂直。廠房內安裝兩臺立軸式機組，單機容量為170 MW，總裝機容量340 MW。

地下洞群主要包括主副廠房洞、主變洞、進廠交通洞、緊急逃生洞及電纜洞、母線洞和排水廊道。主副廠房洞和主變洞平行布置，主變洞位于主副廠房洞下游側，兩洞凈距40 m。主副廠房洞開挖尺寸為82.2 m×18.0 m×42.0 m（長×寬×高），主變洞開挖尺寸為76.0 m×15.5 m×18.5 m（長×寬×高）。主副廠房洞與主變洞通過進廠交通洞、兩條母線洞相連接。主副廠房洞的拱肩高程附近還設置有一層排水廊道，并相應布置有排水孔幕。排水廊道、緊急逃生洞與電纜洞環繞在地下洞群周圍，能夠起到一定的排水降壓作用。

2.2 工程地質條件

該抽水蓄能電站地下廠區的工程地質如圖1所示。地質勘察結果表明，工程區的天然地下水位較高，鉆孔A 揭露的地下水穩定高程約為-75 m。工程布置的主廠房、主變室、尾水調壓室位于天然地下水位以下。地下廠區的地層巖性主要為玄武巖，巖層傾角約為15°，附近無斷層或節理密集帶發育，因此地下廠區附近圍巖的滲透特性一般表現為弱透水至極微透水。

圖1 地下廠區的工程地質剖面Fig. 1 Engineering geological profile of underground power?house

2.3 有限元模型

為了滿足計算分析的需要，根據工程地質、水文地質和洞室布置圖等基本資料，建立了廠區整體三維有限元模型。整體模型的有限元網格如圖2（a）所示。計算模型上下游方向延伸1 420 m，垂直上下游方向延伸1 280 m，模型底部高程為-495 m。共劃分單元1 040 151個，節點623 106個。各洞室與整體模型的相對位置關系如圖2（b）所示。由于上水庫及下水庫均采用全庫盆土工膜防滲結構，因此，整個電站滲流場分析只需要考慮地下洞室。模型較為嚴格地模擬了主廠房、主變室、尾水調壓室、排水廊道、引水隧洞、尾水隧洞、施工支洞、進廠交通洞、緊急逃生洞及電纜洞等結構，如圖2（c）所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.4 計算參數與邊界條件

根據地勘資料和混凝土的材料特性，各巖層的基本滲流計算參數如表1所示?；诠こ填惐?，混凝土襯砌的滲透系數取為1.0×10-6cm/s。

表1 巖體滲透特性Table 1 Permeability characteristics of rock mass

對運行期與施工期兩種情況下的滲流場進行分析，相應的邊界條件如下。

（1）運行期邊界條件：模型側面邊界節點按工程地質報告[7]中給出的地下水位取為定水頭邊界；尾水隧洞與下游調壓室的內表面節點基于正常運行期水頭取為定水頭邊界；混凝土襯砌視為可透水介質，而鋼襯砌則視為隔水邊界；各地下洞室、施工支洞、排水廊道及其他邊界均視為潛在溢出邊界。

（2）施工期邊界條件：模型側面邊界節點取工程地質報告[7]中給出的地下水位為定水頭邊界；在施工期，引水隧洞、尾水隧洞與尾水調壓室的開挖面尚未襯砌，因此取為潛在溢出邊界；各地下洞室、施工支洞、排水廊道及其他邊界均視為潛在溢出邊界。

3 計算結果分析

3.1 運行期廠區三維滲流場分析

3.1.1 典型剖面滲流場分布

正常運行工況下，廠房機組段橫剖面的等水頭線分布如圖3所示，廠房機組段縱剖面的等水頭線分布如圖4所示。計算結果表明，由于廠區天然地下水位較高，因此在正常運行工況下各地下洞室（包括主廠房、主變室）基本位于地下水自由面以下。同時，排水廊道與施工支洞附近的水頭分布顯示，排水廊道與施工支洞顯著降低了其附近巖體的滲透水壓力。

圖3 運行期廠房機組段橫剖面等水頭線（單位：m）Fig. 3 Water head lines on profile of powerhouse unit section during operation period

圖4 運行期廠房縱剖面等水頭線（單位：m）Fig. 4 Water head lines in longitudinal profile of powerhouse unit section during operation period

圖5 運行期廠區圍巖滲透坡降矢量Fig. 5 Seepage gradient in powerhouse surrounding rocks dur?ing operation period

3.1.2 滲漏流量統計

正常運行工況下，流入各洞室的滲漏流量如表2 所示。流量計算結果顯示，滲漏流量主要集中在廠房附近的施工支洞中。正常運行工況下，滲漏總流量為14.99 m3/h。根據設計資料，各洞室的滲漏流量將匯入位于廠房的集水井中，并最終由水泵抽排。

表2 運行期各洞室滲漏量Table 2 Leakage of each cavern during operation period

3.2 施工期廠區三維滲流場分析

3.2.1 典型剖面滲流場分布

施工期工況下，廠房機組段橫剖面的等水頭線分布如圖6所示，廠房機組段縱剖面的等水頭線分布如圖7所示。計算結果表明，由于廠區天然地下水位較高，因此施工期條件下各地下洞室（包括主廠房、主變室等）基本位于地下水自由面以下。由于施工期比運行期有更多的開挖面可供地下水溢出，因此自由面也相對較低。此外，模擬結果還顯示，低于地下水位的地下廠房附近還存在有滲流干區。這是由于地下廠房上方有一層完整性較好的玄武巖巖層，其滲透系數較兩側巖體顯著偏小，可視為相對隔水層。當廠區地下水經開挖面匯入各洞室后，上層巖體中的地下水無法透過隔水層補給下層巖體，因此在廠區周圍形成了局部干區。同時，排水廊道與施工支洞附近的水頭分布顯示，排水廊道與施工支洞顯著降低了附近巖體的滲透水壓力。

圖6 施工期廠房機組段橫剖面等水頭線（單位：m）Fig. 6 Water head lines in profile of powerhouse unit section during construction period

圖7 施工期廠房縱剖面等水頭線（單位：m）Fig. 7 Water head lines in longitudinal profile of powerhouse unit section during construction period

圖8 為施工期地下廠房附近圍巖的滲透坡降矢量圖。從圖8可以看出，廠房附近圍巖的滲透坡降矢量均指向開挖面。滲透坡降的最大值為4，位于尾水調壓室旁尾水隧洞的開挖面附近。

圖8 施工期廠區圍巖滲透坡降矢量Fig. 8 Seepage gradient in powerhouse surrounding rocks dur?ing construction period

3.2.2 滲漏流量統計

施工期工況下，流入各洞室的滲漏流量如表3所示。與正常運行工況相比，施工期條件下排水廊道、主廠房、主變室的滲漏流量均有降低，然而滲漏總量卻略有增大。這是由于施工期地下廠區具有相對較多的開挖面可供地下水溢出。施工期滲漏總流量為15.41 m3/h，施工期的滲漏流量將與施工用水一起由水泵抽排進行處理。

表3 施工期各洞室滲漏量Table 3 Leakage of each cavern during construction period

4 結語

采用穩定滲流分析方法，結合廠區整體三維有限元模型對國外某抽水蓄能電站地下廠區進行了三維滲流分析，取得如下結論：

（1）在運行期工況下，主廠房、主變室等主要洞室均位于地下水位以下，排水廊道與施工支洞的局部降壓效果較為顯著，滲透坡降矢量均指向開挖面。滲透坡降的最大值為8，位于緊急逃生洞及電纜洞附近。

（2）在施工期工況下，主廠房、主變室等主要洞室均位于地下水位以下，排水廊道與施工支洞的局部降壓效果較為顯著。由于玄武巖巖層的滲透性較弱，地下廠房附近存在滲流干區。滲透坡降矢量均指向開挖面。滲透坡降的最大值為4，位于尾水調壓室旁尾水隧洞的開挖面附近。

（3）運行期各洞室及廊道滲漏總量為14.99 m3/h，施工期各洞室及廊道滲漏總量為15.41 m3/h。 ■