洪佳敏，劉明華，倪紹虎，呂慷，鄭海圣

（中國(guó)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，311122）

0 引言

國(guó)外某抽水蓄能電站的地下廠(chǎng)區(qū)位于天然地下水位以下，為了評(píng)估廠(chǎng)區(qū)滲流控制方案的有效性，并對(duì)運(yùn)行期、施工期滲漏流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要對(duì)地下廠(chǎng)區(qū)的工程布置與滲控措施進(jìn)行精細(xì)模擬，并開(kāi)展三維有限元滲流分析，從而獲取地下廠(chǎng)房圍巖的滲流特性。

采用穩(wěn)定滲流分析方法，結(jié)合SVA算法[1]，通過(guò)建立廠(chǎng)區(qū)整體模型，就其滲流場(chǎng)分布特性進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)滲漏流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，可為工程建設(shè)提供合理的建議。

1 滲流分析理論

根據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理，穩(wěn)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(shù)張量。

式（1）應(yīng)滿(mǎn)足的邊界條件包括如下4類(lèi)：

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(fù)）；n為邊界面單位外法向向量。對(duì)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(biāo)。

④溢出面邊界條件

(4)如出現(xiàn)流沙現(xiàn)象，應(yīng)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(nèi)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(yùn)動(dòng)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。從物理機(jī)制上看，滲流控制可歸結(jié)為耦合過(guò)程控制、初始狀態(tài)控制、介質(zhì)特性控制和邊界條件控制4 類(lèi)[1-2]。在該抽水蓄能電站廠(chǎng)區(qū)滲流控制中，設(shè)置的排水廊道屬于邊界條件控制。上述問(wèn)題可采用SVA 方法求解[3-6]。

2 計(jì)算模型

2.1 工程概況

該抽水蓄能電站裝機(jī)容量340 MW，主要用于調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用、電壓調(diào)節(jié)、無(wú)功負(fù)荷及黑啟動(dòng)等。工程主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠(chǎng)房和地面開(kāi)關(guān)站組成。水庫(kù)無(wú)地表徑流補(bǔ)給，用從北部的加利利湖通到下水庫(kù)附近的水管進(jìn)行初期蓄水和日常蒸發(fā)補(bǔ)給。

上水庫(kù)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(kù)庫(kù)盆南部為開(kāi)挖岸坡，其他部位為填筑土壩。正常蓄水位207.8 m，相應(yīng)庫(kù)容310萬(wàn)m3，死水位185.6 m，死庫(kù)容10萬(wàn)m3。上庫(kù)采用全庫(kù)盆土工膜防滲。

下水庫(kù)庫(kù)區(qū)大部分地面高程介于-218～-226 m之間，但北側(cè)地形降到約-235 m。水庫(kù)北側(cè)采用土壩封閉，其余部位的庫(kù)盆由開(kāi)挖形成，并采用復(fù)合土石壩沿庫(kù)周加高到壩頂。正常蓄水位-215.0 m，相應(yīng)庫(kù)容310萬(wàn)m3，死水位-235.75 m，死庫(kù)容10萬(wàn)m3。下庫(kù)采用全庫(kù)盆土工膜防滲。

輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)3 163.28 m，其中引水系統(tǒng)1 508 m，尾水系統(tǒng)1 655.28 m。輸水系統(tǒng)主要建筑物包括上庫(kù)進(jìn)水口、引水事故檢修閘門(mén)井、引水上平洞、引水調(diào)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(diào)壓井、尾水隧洞、下庫(kù)進(jìn)水口等。引水及尾水系統(tǒng)均采用一管兩機(jī)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(chǎng)房位于山體內(nèi)約1 060 m，埋深約400 m。廠(chǎng)房中心線(xiàn)距離引水高壓豎井、上庫(kù)進(jìn)出水口、下庫(kù)進(jìn)出水口分別為220 m、1 100 m、1 730 m。廠(chǎng)房軸線(xiàn)方向?yàn)檎毕?。引水高壓支管垂直進(jìn)入廠(chǎng)房，尾水支洞與廠(chǎng)房下游邊墻垂直。廠(chǎng)房?jī)?nèi)安裝兩臺(tái)立軸式機(jī)組，單機(jī)容量為170 MW，總裝機(jī)容量340 MW。

地下洞群主要包括主副廠(chǎng)房洞、主變洞、進(jìn)廠(chǎng)交通洞、緊急逃生洞及電纜洞、母線(xiàn)洞和排水廊道。主副廠(chǎng)房洞和主變洞平行布置，主變洞位于主副廠(chǎng)房洞下游側(cè)，兩洞凈距40 m。主副廠(chǎng)房洞開(kāi)挖尺寸為82.2 m×18.0 m×42.0 m（長(zhǎng)×寬×高），主變洞開(kāi)挖尺寸為76.0 m×15.5 m×18.5 m（長(zhǎng)×寬×高）。主副廠(chǎng)房洞與主變洞通過(guò)進(jìn)廠(chǎng)交通洞、兩條母線(xiàn)洞相連接。主副廠(chǎng)房洞的拱肩高程附近還設(shè)置有一層排水廊道，并相應(yīng)布置有排水孔幕。排水廊道、緊急逃生洞與電纜洞環(huán)繞在地下洞群周?chē)?，能夠起到一定的排水降壓作用?/p>

2.2 工程地質(zhì)條件

該抽水蓄能電站地下廠(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)如圖1所示。地質(zhì)勘察結(jié)果表明，工程區(qū)的天然地下水位較高，鉆孔A 揭露的地下水穩(wěn)定高程約為-75 m。工程布置的主廠(chǎng)房、主變室、尾水調(diào)壓室位于天然地下水位以下。地下廠(chǎng)區(qū)的地層巖性主要為玄武巖，巖層傾角約為15°，附近無(wú)斷層或節(jié)理密集帶發(fā)育，因此地下廠(chǎng)區(qū)附近圍巖的滲透特性一般表現(xiàn)為弱透水至極微透水。

圖1 地下廠(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)剖面Fig. 1 Engineering geological profile of underground power?house

2.3 有限元模型

為了滿(mǎn)足計(jì)算分析的需要，根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和洞室布置圖等基本資料，建立了廠(chǎng)區(qū)整體三維有限元模型。整體模型的有限元網(wǎng)格如圖2（a）所示。計(jì)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(gè)，節(jié)點(diǎn)623 106個(gè)。各洞室與整體模型的相對(duì)位置關(guān)系如圖2（b）所示。由于上水庫(kù)及下水庫(kù)均采用全庫(kù)盆土工膜防滲結(jié)構(gòu)，因此，整個(gè)電站滲流場(chǎng)分析只需要考慮地下洞室。模型較為嚴(yán)格地模擬了主廠(chǎng)房、主變室、尾水調(diào)壓室、排水廊道、引水隧洞、尾水隧洞、施工支洞、進(jìn)廠(chǎng)交通洞、緊急逃生洞及電纜洞等結(jié)構(gòu)，如圖2（c）所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.4 計(jì)算參數(shù)與邊界條件

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

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

對(duì)運(yùn)行期與施工期兩種情況下的滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，相應(yīng)的邊界條件如下。

（1）運(yùn)行期邊界條件：模型側(cè)面邊界節(jié)點(diǎn)按工程地質(zhì)報(bào)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(diào)壓室的內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)基于正常運(yùn)行期水頭取為定水頭邊界；混凝土襯砌視為可透水介質(zhì)，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(cè)面邊界節(jié)點(diǎn)取工程地質(zhì)報(bào)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(diào)壓室的開(kāi)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(jì)算結(jié)果分析

3.1 運(yùn)行期廠(chǎng)區(qū)三維滲流場(chǎng)分析

3.1.1 典型剖面滲流場(chǎng)分布

正常運(yùn)行工況下，廠(chǎng)房機(jī)組段橫剖面的等水頭線(xiàn)分布如圖3所示，廠(chǎng)房機(jī)組段縱剖面的等水頭線(xiàn)分布如圖4所示。計(jì)算結(jié)果表明，由于廠(chǎng)區(qū)天然地下水位較高，因此在正常運(yùn)行工況下各地下洞室（包括主廠(chǎng)房、主變室）基本位于地下水自由面以下。同時(shí)，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(yùn)行期廠(chǎng)房機(jī)組段橫剖面等水頭線(xiàn)（單位：m）Fig. 3 Water head lines on profile of powerhouse unit section during operation period

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

圖5 運(yùn)行期廠(chǎng)區(qū)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(tǒng)計(jì)

正常運(yùn)行工況下，流入各洞室的滲漏流量如表2 所示。流量計(jì)算結(jié)果顯示，滲漏流量主要集中在廠(chǎng)房附近的施工支洞中。正常運(yùn)行工況下，滲漏總流量為14.99 m3/h。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，各洞室的滲漏流量將匯入位于廠(chǎng)房的集水井中，并最終由水泵抽排。

表2 運(yùn)行期各洞室滲漏量Table 2 Leakage of each cavern during operation period

3.2 施工期廠(chǎng)區(qū)三維滲流場(chǎng)分析

3.2.1 典型剖面滲流場(chǎng)分布

施工期工況下，廠(chǎng)房機(jī)組段橫剖面的等水頭線(xiàn)分布如圖6所示，廠(chǎng)房機(jī)組段縱剖面的等水頭線(xiàn)分布如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明，由于廠(chǎng)區(qū)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(chǎng)房、主變室等）基本位于地下水自由面以下。由于施工期比運(yùn)行期有更多的開(kāi)挖面可供地下水溢出，因此自由面也相對(duì)較低。此外，模擬結(jié)果還顯示，低于地下水位的地下廠(chǎng)房附近還存在有滲流干區(qū)。這是由于地下廠(chǎng)房上方有一層完整性較好的玄武巖巖層，其滲透系數(shù)較兩側(cè)巖體顯著偏小，可視為相對(duì)隔水層。當(dāng)廠(chǎng)區(qū)地下水經(jīng)開(kāi)挖面匯入各洞室后，上層巖體中的地下水無(wú)法透過(guò)隔水層補(bǔ)給下層巖體，因此在廠(chǎng)區(qū)周?chē)纬闪司植扛蓞^(qū)。同時(shí)，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(chǎng)房機(jī)組段橫剖面等水頭線(xiàn)（單位：m）Fig. 6 Water head lines in profile of powerhouse unit section during construction period

圖7 施工期廠(chǎng)房縱剖面等水頭線(xiàn)（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(chǎng)房附近圍巖的滲透坡降矢量圖。從圖8可以看出，廠(chǎng)房附近圍巖的滲透坡降矢量均指向開(kāi)挖面。滲透坡降的最大值為4，位于尾水調(diào)壓室旁尾水隧洞的開(kāi)挖面附近。

圖8 施工期廠(chǎng)區(qū)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(tǒng)計(jì)

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(yùn)行工況相比，施工期條件下排水廊道、主廠(chǎng)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(chǎng)區(qū)具有相對(duì)較多的開(kāi)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(jìn)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(jié)語(yǔ)

采用穩(wěn)定滲流分析方法，結(jié)合廠(chǎng)區(qū)整體三維有限元模型對(duì)國(guó)外某抽水蓄能電站地下廠(chǎng)區(qū)進(jìn)行了三維滲流分析，取得如下結(jié)論：

（1）在運(yùn)行期工況下，主廠(chǎng)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(kāi)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(chǎng)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(chǎng)房附近存在滲流干區(qū)。滲透坡降矢量均指向開(kāi)挖面。滲透坡降的最大值為4，位于尾水調(diào)壓室旁尾水隧洞的開(kāi)挖面附近。

（3）運(yùn)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。 ■