（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

江西省洪屏抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)滲流場(chǎng)分析及應(yīng)用

姚敏杰，高雅芬

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)深埋于地下，結(jié)合洪屏工程前期上、下水庫等地表部位的巖體勘測(cè)和地下水位觀測(cè)資料，采用三維整體滲流場(chǎng)有限元計(jì)算方法，對(duì)輸水發(fā)電系統(tǒng)的滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬，為地下廠房滲漏排水、輸水系統(tǒng)襯砌等滲控方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

抽水蓄能；輸水發(fā)電系統(tǒng)；滲流場(chǎng)

1 問題的提出

抽水蓄能電站建筑物一般包括上水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)及下水庫，其主要利用上、下水庫之間的自然高差獲取發(fā)電水頭，由于機(jī)組吸出高度較大，多采用埋藏式輸水系統(tǒng)及地下廠房開發(fā)方式。上水庫往往建于山頂或溝源部位，周邊分水比較單薄、巖體滲透性較強(qiáng)，防滲要求高；輸水發(fā)電系統(tǒng)深埋在山體中，巖體、斷層空間分布復(fù)雜，洞室群數(shù)量眾多，為確保機(jī)電運(yùn)行的安全，采用洞襯、排水、帷幕等多種滲控措施，從而形成復(fù)雜的滲流場(chǎng)。

由于電站工程區(qū)范圍較大，輸水發(fā)電系統(tǒng)深埋于地下，前期地質(zhì)勘察進(jìn)行的鉆孔、探洞數(shù)量有限且基本位于上、下水庫等地表部位，需要結(jié)合上述部位巖體勘測(cè)及地下水位觀測(cè)資料，采用三維整體滲流場(chǎng)有限元計(jì)算方法，對(duì)輸水發(fā)電系統(tǒng)的滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬，為地下廠房滲漏排水、輸水系統(tǒng)襯砌等滲控方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內(nèi)，距南昌65 km。電站為周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，一期裝機(jī)容量1 200 MW。電站建成后，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務(wù)。樞紐建筑主要包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群和地面開關(guān)站等。樞紐平面布置見圖1。

圖1 樞紐平面布置圖

上水庫位于三爪侖鄉(xiāng)塘里村的洪屏自然村，庫區(qū)為一高山盆地，西側(cè)、南側(cè)及西南側(cè)各有一埡口，筑壩后可形成上水庫。上水庫正常蓄水位733.00 m，壩頂高程738.90 m。下水庫位于潦河支流北河中上游，采用碾壓混凝土重力壩壩型。下水庫正常蓄水位181.00 m，壩頂高程185.50 m。

輸水系統(tǒng)位于上水庫南庫岸側(cè)，由上庫進(jìn)出水口、引水隧洞、高壓管道、尾水隧洞、下庫進(jìn)出水口等組成，總長約為2 622.40 m。引水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)豎井式布置，自上豎井開始采用鋼板襯砌，尾水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)“一坡到頂”布置。

地下廠房位于輸水系統(tǒng)中部，洞室群包括：主副廠房、主變洞、尾水閘門洞、母線洞、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞等。地下廠房周邊設(shè)置了4層排水廊道，分別為頂層、上層、中層、下層，另外結(jié)合前期探洞，在頂層排水廊道上部再設(shè)置1層高層排水廊道。

2.2 水文地質(zhì)條件

上水庫庫盆區(qū)斷層較發(fā)育，南庫岸地段存在向地下廠房滲漏的貫通性斷層或斷裂網(wǎng)絡(luò)，滲透性較大，庫盆分布有F132、F44、F43、F136等主要斷層。南庫岸共布置了14個(gè)地下水位長期觀測(cè)孔，大部分觀測(cè)到的最低水位均低于設(shè)計(jì)正常蓄水位，并在輸水系統(tǒng)進(jìn)、出水口所在山脊的鉆孔ZK1處形成地下水位深槽（見圖2），存在庫岸滲漏問題。

圖2 南庫岸特征地下水位分布示意圖

輸水發(fā)電系統(tǒng)沿線山體雄厚，基巖為單一的變質(zhì)含礫中粗砂巖，揭露的斷層67條，Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面有F140、F10、F11、F54、F55等主要斷層，寬度大于0.50 m，其余斷層寬度一般小于0.50 m，屬Ⅲ ～ Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面。輸水系統(tǒng)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，NE和NNE向斷層發(fā)育，亦有NW向斷層，斷層延伸長，滲透性較好，尤其在地表淺部滲透性更好，斷層之間切割、溝通，與上水庫南庫岸有較密切的水力聯(lián)系。

2.3 工程處理措施

根據(jù)工程的水文地質(zhì)條件，上水庫庫盆防滲根據(jù)其滲透特性采用主防滲體系+輔助防滲體系：主防滲體系以大壩、庫岸面板和壩基帷幕灌漿、庫岸帷幕灌漿組成，形成封閉體系；輔助防滲體系以庫底土工膜防滲、庫底黏土鋪蓋以及相應(yīng)的齒墻和固結(jié)灌漿組成。輸水系統(tǒng)上平洞采用鋼筋混凝土襯砌，上豎井上彎段起至尾水支管末端采用鋼板襯砌。

3 滲流場(chǎng)建模

3.1 計(jì)算模型及材料參數(shù)

輸水發(fā)電系統(tǒng)三維滲流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域主要包括上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及山體、主要斷層等，計(jì)算范圍見圖3。其中上水庫包括大壩、庫盆及防滲體系，輸水系統(tǒng)包括襯砌管道、排水孔等；網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)總數(shù)545 430，單元總數(shù)513 029，排水孔總數(shù)694個(gè)；對(duì)區(qū)域內(nèi)較大的15條斷層采用復(fù)合單元法進(jìn)行了模擬。

圖3 滲流模型邊界圖

本次計(jì)算中所涉及的各種材料的滲透系數(shù)根據(jù)水文地質(zhì)資料和參照類似工程確定（見表1、表2）。

表1 材料滲透系數(shù)表

表2 關(guān)鍵斷層滲透系數(shù)表

3.2 邊界條件

計(jì)算模型邊界條件為：①四周邊界地下水位根據(jù)工程區(qū)地下水位埋深按靜水壓力添加，高于庫水位的地方為滲流可能逸出面；模型底邊界視為隔水邊界；大壩下游側(cè)視為滲流可能逸出面。②排水孔為水位等于其位置高程的逸流型排水孔邊界。③輸水系統(tǒng)充水時(shí)采用已知水頭邊界；混凝土襯砌的輔助洞室采用不透水邊界；噴錨支護(hù)的洞室采用可能逸出邊界。

4 計(jì)算分析

4.1 上水庫南庫岸至廠房系統(tǒng)滲流特性

上水庫南庫岸斷層發(fā)育，存在向地下廠房滲漏的貫通性斷層，滲透性較大，在輸水系統(tǒng)進(jìn)、出水口（上水庫南庫岸處）有地下水位深槽，南庫岸布置有帷幕灌漿和鋼筋混凝土面板防滲。上水庫正常蓄水位水頭等值線分布見圖4。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，南岸庫斷面水頭等值線和自由面的規(guī)律：①自由面在庫盆蓄水位高程處出露，而后貼著南庫岸面板和帷幕向下游廠房延伸，向地下廠房滲透過程中不斷降低，到達(dá)廠房系統(tǒng)前沿時(shí)受排水廊道影響，自由面迅速跌落，過廠區(qū)后受下游水位影響，自由面開始上揚(yáng)，最終出露于下游表面；②大量水頭等值線在上水庫南庫岸帷幕灌漿處聚集，經(jīng)過帷幕削減，滲向下游側(cè)的水頭僅剩680.00 m，降低了40.00 m水頭，防滲帷幕起到了很好的防滲作用。

圖4 上水庫正常蓄水位水頭等值線分布圖

4.2 廠房區(qū)域滲流特性

由于廠房區(qū)域布置有5層排水廊道，廊道側(cè)布置有防滲帷幕及排水孔幕，因此上游自由面在靠近主廠房高層排水廊道處驟降，說明高層排水廊道結(jié)合屋頂型排水孔起到了很好的排水截滲作用，上游上部滲透水流幾乎都進(jìn)入到該層排水幕的排水孔內(nèi)，進(jìn)入廠房底部的水頭值比較小，滲透壓力得到了有效的控制（見圖5）。

由于本工程基巖滲透系數(shù)為1.0 Lu，帷幕灌漿的滲透系數(shù)同樣為1.0 Lu，廠房上游帷幕灌漿改變水頭效果不明顯。根據(jù)類似工程敏感性計(jì)算結(jié)果，當(dāng)防滲帷幕與周圍巖體滲透系數(shù)比值大于2個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，帷幕才會(huì)體現(xiàn)較好的阻水性。

圖5 廠房系統(tǒng)水頭等值線分布圖

從對(duì)廠房系統(tǒng)各個(gè)洞室的排水量進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)廠區(qū)排水量主要來源于進(jìn)廠交通洞，其次才是排水廊道（見圖6）。因此在工程施工期，因做好排水量較大的洞室。

圖6 廠區(qū)主要洞室排水量圖

4.3 廠區(qū)不設(shè)排水措施分析

由于地下廠房深埋于山體中，廠區(qū)結(jié)構(gòu)基本位于天然地下水位線以下，故在施工開挖過程中，常出現(xiàn)涌水等現(xiàn)象。為研究上水庫蓄水后對(duì)地下廠房的影響，確認(rèn)排水措施的合理性，對(duì)廠區(qū)不設(shè)排水措施工況進(jìn)行了計(jì)算（見圖7）。由于受到上水庫蓄水及地下水的影響，在未設(shè)任何排水降壓措施時(shí)，自由面形態(tài)表現(xiàn)為：沿程自由面逐漸降低，但降低幅度有限，自由面最后出露于廠房后方山體表面。這種狀態(tài)下自由面較高，山體大部分處于飽和狀態(tài)，山體穩(wěn)定性不強(qiáng)，具有安全隱患。廠區(qū)前端水頭高達(dá)420.00 m，遠(yuǎn)高于廠房頂部高程，廠區(qū)將全部處于淹沒狀態(tài)，故對(duì)廠區(qū)安全穩(wěn)定極為不利。

圖7 廠房系統(tǒng)水頭等值線分布圖（不設(shè)排水措施）

4.4 引水上平洞內(nèi)水外滲分析

將引水上平洞各節(jié)點(diǎn)水頭取為上庫正常蓄水位，鋼管段取為不透水邊界。圖8 ～ 9分別為輸水系統(tǒng)斷面水頭等值線分布圖，當(dāng)上平洞鋼筋混凝土襯砌段出現(xiàn)內(nèi)水外滲時(shí)，自由面總體形態(tài)表現(xiàn)為：在上平洞附近自由面隆起，隨后自由面沿程逐漸降低。在靠近廠房區(qū)域的上游排水孔幕附近，自由面在該處發(fā)生驟降。因此，上平洞的內(nèi)水外滲會(huì)造成上豎井、中平洞等部位的外水壓力值。

圖8 內(nèi)水外滲工況圖

圖9 正常運(yùn)行工況圖

5 結(jié) 語

（1）上水庫采用的防滲措施，總體效果較好，上水庫南庫岸防滲帷幕可有效降低滲向廠區(qū)的水頭；地下廠房采用以堵排結(jié)合的防滲設(shè)計(jì)原則，可有效地將廠房上下游滲透來水防排在外，四周封閉性防排系統(tǒng)之內(nèi)的廠區(qū)大部分巖體區(qū)域都處于滲流疏干區(qū)（滲流非飽和區(qū)）。

（2） 由于上水庫高程高，從上游滲漏水量多，廠區(qū)排水孔對(duì)整個(gè)滲流場(chǎng)起到控制性作用，而廠房上游帷幕灌漿的滲透系數(shù)與基巖一致，改變水頭效果不明顯；下游排水孔由于下游來水水位較低，未得到充分發(fā)揮作用。

（3）針對(duì)廠區(qū)是否設(shè)排水設(shè)施的分析計(jì)算，在未設(shè)任何排水降壓措施時(shí)，沿程自由面較高，山體大部分處于飽和狀態(tài)，廠區(qū)前端水頭高達(dá)420.00 m，遠(yuǎn)高于廠房頂部高程，對(duì)廠區(qū)安全穩(wěn)定極為不利。

（4）因本工程引水上平洞采用鋼筋混凝土襯砌，如施工質(zhì)量不佳，襯砌段出現(xiàn)內(nèi)水外滲時(shí)，會(huì)造成上豎井、中平洞等部位的外水壓力值升高，對(duì)廠區(qū)影響不大。

[1] 任涵璐.洪屏抽水蓄能電站上水庫庫盆三維復(fù)雜滲流場(chǎng)分析[J].水力發(fā)電，2012，38(12)：19 - 21.

[2] 劉昌軍.文登抽水蓄能電站地下洞室群復(fù)雜滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(4)：73 - 78.

（責(zé)任編輯 姚小槐）

Seepage Field Analysis for Water Conveyance System of Hongping Pumped-storage Power Station

YAO Min - jie，GAO Ya - fen
(Power China Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，Zhejiang，China)

The water conveyance system of pumped storage power system is in the deep underground.Using the rock mass and underground water level observation data in the upper and lower parts of Hongping Reservoir，a three -dimensional seepage fi eld fi nite element calculation method was adopted to simulate seepage fi eld of the water conveyance system.This study could provide a theoretical basis for design and optimization of underground powerhouse seepage drainage，water conveyance system lining seepage control schemes.

pumped - storage power station；water conveyance system；seepage fi eld

TV223.4

A

1008 - 701X(2017)02 - 0068 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.019

2016-09-20

姚敏杰(1983 - )，男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。