陳 陽(yáng)，周志芳，黃 勇，顧正聰

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引 言

在水利水電工程中，引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物均深埋在地下水位線(xiàn)以下[1]，特別是抽水蓄能電站，其廠(chǎng)房和引水管道埋深較大，可達(dá)300～500 m的水頭差，因此在電站運(yùn)行期和水道放空檢修期地下輸水隧洞會(huì)承受較大的外水壓力從而造成滲漏等問(wèn)題，隧洞內(nèi)高壓力水頭常會(huì)造成混凝土襯砌開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致高壓內(nèi)水外滲，若高壓隧洞的內(nèi)水外滲和外水壓力水頭不能有效控制，勢(shì)必危及地下洞室和山體的穩(wěn)定[2]。滲流控制是大型水電工程中的一大主要難題。滲流控制情況直接關(guān)系到工程的安全和費(fèi)用，滲流控制存在缺陷和不足是造成水電工程效益損失的主要原因，因此研究大埋深地下洞室滲控問(wèn)題具有非常重要的意義。陳益峰[3]提出滲流運(yùn)動(dòng)在本質(zhì)上受地下水的質(zhì)量守恒方程和線(xiàn)性動(dòng)量守恒方程控制，但其演化過(guò)程同時(shí)受初始條件、邊界條件和計(jì)算參數(shù)的制約。當(dāng)前對(duì)滲流場(chǎng)研究的主要方法有:解析法、水力學(xué)法、圖解法等近似計(jì)算方法、數(shù)值模擬方法以及室內(nèi)的模型實(shí)驗(yàn)法[4]。本文以黑麋峰抽水蓄能電站為例，采用有限單元法，針對(duì)高壓岔管區(qū)的Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖地質(zhì)條件，模擬了電站正常運(yùn)行期不同設(shè)計(jì)方案下岔管區(qū)地下水滲漏量，并給出了合理的滲流控制措施，為地下洞室滲控提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

排水疏干和滲流控制是確保地下電站廠(chǎng)房和地下采礦等工程圍巖穩(wěn)定和安全運(yùn)營(yíng)的重要工程措施之一，常用的滲控措施包括防滲帷幕、排水洞和排水孔幕等，其滲控效應(yīng)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)于優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、確保工程安全和節(jié)省工程投資具有重要意義[5]。二維非均質(zhì)各向同性的穩(wěn)定流控制方程[6]為:

式中，K為滲透系數(shù)；H為水頭；H0、H1分別為已知的某時(shí)刻對(duì)應(yīng)水頭；Ω為研究區(qū)域；Γ1、Γ2分別為研究區(qū)域的第一類(lèi)和第二類(lèi)邊界條件。采用有限元對(duì)式 （1）進(jìn)行離散，得:

式中，[G]為總導(dǎo)水矩陣；[H]為水頭矩陣；[F]為已知流量矩陣。

2 計(jì)算方案及結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)域的選取

圖1 研究區(qū)域及岔支管分布

黑麋峰抽水蓄能電站位于望城縣橋驛鎮(zhèn)境內(nèi)，緊鄰湖南電網(wǎng)負(fù)荷中心長(zhǎng)株潭地區(qū)，距長(zhǎng)沙市區(qū)僅25 km，距湘潭、株洲不足60 km。電站上水庫(kù)位于黑麋峰西側(cè)山頂，建有兩座主壩和兩座副壩，正常蓄水位400 m，總庫(kù)容996.50萬(wàn)m3；下水庫(kù)位于楊橋東側(cè)山麓，正常蓄水位103.7 m，總庫(kù)容959.32萬(wàn)m3。本文以高壓岔管區(qū)的1號(hào)引水支管縱平面為研究對(duì)象，向上游延伸至1號(hào)引水系統(tǒng)固結(jié)灌漿始端20 m處，向下游延伸至廠(chǎng)房后環(huán)向帷幕后20 m，總長(zhǎng)330 m （見(jiàn)圖1）。縱向研究區(qū)的介于-15～200 m高程，共涉及兩個(gè)透水帶，即弱透水帶 （厚約200 m）和微透水帶 （厚約15 m）。

2.2 初始、邊界條件及滲透參數(shù)

初始、邊界條件以整個(gè)電站區(qū)的初始自由面滲流場(chǎng) （見(jiàn)圖2）。滲透參數(shù)的取值分為2種不同情況:①采用洞周?chē)鷰r防滲圈方案時(shí)，共涉及6種不同材料分區(qū)，分別用K1～K6表示，即鋼筋混凝土襯砌、圍巖灌漿圈、鋼板襯砌、弱透水層、微透水層和鋼管端部環(huán)形帷幕，滲透系數(shù)分別為K1=1×10-7cm/s、K2=6.0×10-7cm/s、K3=1×10-13cm/s、K4=5×10-5cm/s、K5=2×10-5cm/s、K6=1×10-5cm/s。 ②采用縱向帷幕方案時(shí)，帷幕的深度可以變化，考慮了2種帷幕深度，即支管以上帷幕的深度分別為45、100 m，加上支管以下15 m，則整個(gè)豎向帷幕的深度分別為60、115 m。研究區(qū)采用Geostudio-SEEP模塊進(jìn)行三角形單元離散，共剖分為15959個(gè)節(jié)點(diǎn)，30885個(gè)單元。

圖2 初始流場(chǎng) （單位:m）

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

帷幕防滲性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是排水廊道的排水量和引水支管的滲漏量，主要考慮岔管附近的排水廊道，按編號(hào)記為1～9（見(jiàn)圖1b）。由于廠(chǎng)房前后帷幕之間采用鋼板襯砌，幾乎不透水，其滲漏量可以忽略不計(jì)，廠(chǎng)房帷幕后壓力較小，可以不考慮支管的滲漏量，因此重點(diǎn)在廠(chǎng)房帷幕之前的引水支管部分，選取上下2個(gè)斷面，即8號(hào)、9號(hào)斷面的滲漏量。

為了減小評(píng)價(jià)誤差，選用排水廊道斷面的排水量、滲漏量的相對(duì)增量 （無(wú)量綱）來(lái)探討帷幕防滲性能評(píng)價(jià)。假定采用環(huán)向帷幕方案計(jì)算的排水廊道排水量和隧洞的滲漏量為QH，用縱向帷幕方案計(jì)算的排水廊道排水量和隧洞的滲漏量為QZ，相對(duì)增量用ΔQ表示，則

表1 排水廊道滲漏量值m3/d

若ΔQ＞0，則表示采用縱向帷幕方案時(shí)廊道的排水量、支管的滲漏量比采用環(huán)向帷幕方案時(shí)的滲漏量要大；反之，則比采用環(huán)向帷幕方案時(shí)要小。

2.4 計(jì)算方案

本文研究黑麋峰抽水蓄能電站在水庫(kù)蓄水、電站正常運(yùn)行的工況下，高壓岔管區(qū)設(shè)置不同帷幕的滲漏情況。

（1）方案一。只考慮洞周環(huán)向帷幕，不考慮廠(chǎng)房前的縱向帷幕。

（2）方案二。不考慮洞周環(huán)向帷幕，只考慮支管以上長(zhǎng)45 m的縱向帷幕。

（3）方案三。不考慮洞周環(huán)向帷幕，只考慮支管以上長(zhǎng)100 m的縱向帷幕。

（4）方案四。綜合考慮洞周環(huán)向帷幕及支管以上長(zhǎng)45 m的縱向帷幕。

2.5 滲漏量結(jié)果分析

通過(guò)Geostudio-SEEP模塊進(jìn)行9個(gè)排水廊道的滲漏量計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。用ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3分別表示方案二、三、四相對(duì)于方案一的滲漏增量，結(jié)果見(jiàn)圖3。從表1和圖3可知，方案一、四的滲漏量均低于方案二、三，說(shuō)明在洞周設(shè)置環(huán)向帷幕可一定程度減少排水廊道的滲漏量；ΔQ3＜0可知方案四的滲漏量小于方案一，但增量?jī)H為4～33%，說(shuō)明支管上設(shè)置縱向帷幕的防滲效果不甚明顯；除8號(hào)排水廊道外，其他廊道ΔQ2>ΔQ3，說(shuō)明支管上的縱向帷幕從45 m加長(zhǎng)至100 m可對(duì)滲漏量有一定控制作用，但是ΔQ3僅比ΔQ2下降了7～25%，故加長(zhǎng)縱向帷幕的防滲效果不明顯。

圖3 各斷面滲漏量相對(duì)增量的變化情況

對(duì)高壓岔管區(qū)的1號(hào)引水支管采用環(huán)向帷幕方案時(shí)，圍巖采用劈裂灌漿，滲透性較小，即使在電站運(yùn)行期 （隧洞內(nèi)充水），鋼筋混凝土開(kāi)裂情況下（滲透系數(shù)比開(kāi)裂前增加約10倍），也能夠有效地減小隧洞內(nèi)的內(nèi)水外滲量，避免大量的水量繞過(guò)環(huán)向帷幕流向岔管和廠(chǎng)房各排水廊道。根據(jù)黑麋峰抽水蓄能電站區(qū)2次充水試驗(yàn)時(shí)廊道排水量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，廊道最大排水量不超過(guò)2 L/min，表明在引水支管洞周采用高壓劈裂灌漿可以有效阻止內(nèi)水外滲，即采用環(huán)向帷幕方案以及對(duì)圍巖灌漿圈進(jìn)行劈裂灌漿的防滲效果顯著。而由于在支管上設(shè)置縱向帷幕的防滲效果不顯著，且縱向帷幕長(zhǎng)度對(duì)防滲效果影響不大，故考慮水庫(kù)的運(yùn)行效益，黑麋峰水電站采用的即是方案一環(huán)向帷幕來(lái)達(dá)到較好的防滲效果。

3 結(jié) 論

對(duì)引水隧洞的洞周?chē)鷰r進(jìn)行帷幕灌漿處理，能減小圍巖的滲透系數(shù)，提高洞周?chē)鷰r的完整性，從而減小外水內(nèi)滲滲漏量，提高防滲性能。當(dāng)引水隧洞支岔管若只設(shè)置環(huán)向帷幕時(shí)，洞室和排水廊道的滲漏量為544.55 m3/d，而只設(shè)置縱向帷幕時(shí)的滲漏量為1086.94 m3/d，表明環(huán)向帷幕防滲效果遠(yuǎn)優(yōu)于縱向帷幕；若在環(huán)向帷幕的基礎(chǔ)上考慮縱向帷幕時(shí)，滲漏量減小約90.6 m3/d，若縱向帷幕長(zhǎng)度從45 m增加到100 m，滲漏量減小了74.45 m3/d，表明在洞室之間的支管上設(shè)置縱向帷幕的防滲效果不顯著。

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