文登抽水蓄能电站地下洞室群复杂渗流场的数值模拟分析

刘昌军，王小卫，徐甲存，唐波

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038;2.江苏省建苑岩土工程勘测有限公司，南京 210029; 3.南京市水利规划设计院有限责任公司，南京 210022）

文登抽水蓄能电站地下洞室群复杂渗流场的数值模拟分析

刘昌军1，王小卫2，徐甲存3，唐波3

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038;2.江苏省建苑岩土工程勘测有限公司，南京 210029; 3.南京市水利规划设计院有限责任公司，南京 210022）

文登抽水蓄能电站由引水系统、地下厂房系统和尾水系统以及上下库组成。复杂地下厂房洞室群、上下库大坝防渗系统以及压力管道上方的平洞和密集排水孔幕构成了文登抽水蓄能电站复杂的防渗排水系统。采用GWSS （Groundwater Simulation System）软件对文登抽水蓄能电站工程区复杂的渗流场进行了数值模拟分析，重点研究了抽水蓄能电站正常运行后工程区复杂渗流场特性、引水系统管道的外水压力和上水库防渗效果。研究结果表明:在高压隧洞下水平段上部设置排水洞和排水孔幕的排渗方案，对引水管道和岔管具有显著排水降压作用，使该区域的渗控效果满足要求。

三维渗流场;地下隧洞;改进截止负压法;排水子结构法;有限元

1 研究背景

抽水蓄能电站一般由引水系统、地下厂房系统和尾水系统以及上下库组成。数量众多的地下隧洞、引水和尾水管道、密集的排水孔幕以及上下库复杂的防渗系统形成了抽水蓄能电站工程区复杂的渗流场分布［1-7］。抽水蓄能电站工程区复杂渗流场的精细求解有以下几个难点:一方面地下厂房洞室群、高压隧洞和排水洞以及密集排水孔等渗控措施控制着渗流场的渗流水头分布，在排水降压中起主导作用，需要精细建模;另一方面地下高压隧洞和排水洞、交通洞等设计尺寸一般较小，空间分布复杂，且衬砌前后对地下水渗流场分布影响较大，对这些复杂排水系统的边界条件难以精确确定;再者，对众多的高压隧洞的有限元网格通常采用局部加密网格方法进行网格剖分，往往造成网格数量较大，给有限元网格剖分和模型求解均带来较大的难度。

子结构法在复杂渗流场求解中是较为成熟和应用广泛的方法，特别是在模拟有密集排水孔的渗流分析中，子结构法及改进的排水子结构法得到了较多应用［8-12］。

本文采用改进的截止负压法［13］、高压隧洞精细模拟的子结构法及模拟密集排水孔幕的排水子结构法，对文登抽水蓄能电站复杂引水系统管道和尾水系统管道、平洞和交通洞以及地下厂房系统等复杂结构的渗流场分布进行了精细模拟研究。重点研究了抽水蓄能电站正常运行后工程区复杂渗流场的分布及渗流特性，引水系统管道的外水压力和上水库防渗效果。工程案例表明，利用该方法可以解决计算复杂渗流场的精细求解问题，且网格剖分简单，计算速度快，精度较高。

2 工程概况

文登抽水蓄能电站位于山东省胶东地区文登市界石镇境内，工程区距文登市公路里程约35 km。文登抽水蓄能电站枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房、开关站及出线场等部分组成，装机容量1 800 MW。电站枢纽工程为一等大（1）型工程，主要建筑物为1级建筑物。枢纽平面布置图见图1。

上水库位于泰礴顶东侧宫院子沟沟首部位，采用开挖和筑坝方式兴建，在库盆东侧沟口布置一座钢筋混凝土面板堆石坝。上水库正常蓄水位625 m，坝顶高程628 m。

水道系统由上水库进/出水口、高压隧洞、尾水闸室、尾水调压井、尾水隧洞、下水库进/出水口等组成，输水线路总长度约3 218 m。引水系统采用双管线一管三机供水方式，高压隧洞采用钢筋混凝土衬砌，支管采用钢板衬砌。尾水隧洞采用三机一洞布置方式，主洞直径8.1 m，采用钢筋混凝土衬砌，支管采用钢板衬砌。在高压引水隧洞下水平段上方布置排水洞和排水孔幕，具体布置如图2。

图2 岔管段的渗控措施布置图Fig.2Plane and sectional layout of seepage control measures

地下厂房位于六渡寺沟东岸的山体内，采用近中部开发方式，厂内布置6台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机组，厂房系统由地下厂房、主变洞、母线洞、排水廊道、交通洞、通风洞、出线洞及地面开关站等组成。厂区四周布置有如图3所示的主防渗排水系统。

3 复杂渗流场的求解

地下厂房洞室群都深埋于山体内。围岩呈非均质强各向异性。断层错综分布，渗控措施又极为复杂;在其渗流场的分析中常涉及到渗流自由面、密集排水孔幕、高压隧洞内水外渗和复杂断层的模拟等关键求解问题。

3.1 稳定渗流场求解的基本原理

非均质各向异性岩体稳定饱和渗流问题的控制方程为

式中:xi为坐标，i=1，2，3;kij为达西渗透系数矩阵; h=x3+p/r为总水头，x3为位置水头。

非均质各向异性介质稳定渗流的定解问题一般包含4种边界条件，即已知水头边界、不透水边界、出渗面边界和自由面边界。

对上述问题采用固定网格的有限元法进行求解，根据变分原理，求解泛函数和支配方程为

式中:∏（h）为泛函数;K，P，F分别为渗流实域的传导矩阵、节点水头压力列阵和已知节点压力列阵。

在有自由面的渗流场分析中，自由面的求解至关重要，文献［13］给出了改进的截止负压法，解决了复杂无压渗流的求解问题。改进的截止负压法更能准确地考虑单元的部分饱和及非饱和作用，准确地计算单元结点外力或结点不平衡力，从而提高计算精度和收敛速度，其原理推导详见文献［13］。

图3 厂房横剖面图Fig.3Transverse section of the power house

3.2 改进的排水子结构及其基本原理

改进的排水子结构法是专门用于模拟排水孔的特殊单元群体，它分布于主网格之中，其单元数量、节点个数取决于排水孔形式，不受主网格影响。常见排水子结构模式见文献［8-9］。按照上述介绍的改进截止负压法，将子结构作为主网格整体结构的一部分一起来考虑，排水子结构总传导矩阵及相应流量列阵写成分块形式，详细公式推导参见文献［10-12］。

3.3 管道子结构法

地下深埋高压隧洞或地下管道的横截面几何尺寸一般较小，难以通过网格划分进行精细模拟，特别是有混凝土进行衬砌情况下，管道充水前后渗流场精细模拟是抽水蓄能电站工程区渗流场分析的难点之一。

提出了采用子结构法模拟高压管道内水外渗的渗流场分布。该方法避免了复杂高压管道群的网格剖分问题，为抽水蓄能电站工程区复杂渗流场求解提供了新的思路。管道子结构法是排水子结构法的一个特例，2种方法计算原理相同，排水子结构法是解决密集排水孔等排水系统的精细模拟问题，而管道子结构法主要是解决深埋高压隧洞（或管道）的排水或内水外渗问题。

一般地下隧洞边界特点可分为2类:一是进行衬砌的隧洞;二是不进行衬砌的隧洞。对于无衬砌的隧洞分别采用挖空处理，而对有衬砌的隧洞可采用一重子结构法进行剖分和计算，具体剖分形式见图4。

3.4 计算软件GWSS的开发

根据上述计算理论，采用IDL语言开发了三维可视化渗流分析软件GWSS，软件界面见图5。该软件包括三维建模模块（包括地质建模和几何建模）、有限元网格剖分模块、计算模块、后处理显示模块等功能，软件具体功能介绍参见文献［15］。

图4 隧洞横截面子结构图Fig.4Substructure of tunnel cross section

4 工程区渗流场建模及计算分析

4.1 计算模型及网格

图5 计算区域整体三维网格Fig.5Three dimensional FEM meshes of the computational area

根据已有的钻孔资料和水文地质资料，确定工程区渗流场计算模型的范围。本地区的地质条件比较复杂，存在较大的断层、节理裂隙带等渗流通道，本次计算对较大的断层等影响渗流场工程区渗流的主要渗流通道进行了详细模拟，其中包括F3，X6，F5，F12和X12断层，工程区上库库盆和上库大坝，水道系统和地下厂房系统。重点研究上水库防渗系统、水道系统和地下厂房系统渗流场的分布。

综合考虑上库库盆和水道系统以及厂房系统。在工程区平面和立面双重控制下，经剖分后获得计算分析区域的整体三维网格模型，剖分单元45 012个，节点49 312个，如图5所示。为了具体描述设计关注的材料分区和防渗排水等特殊要求部位，现专门提取了相应部位的网格，见图6至图7中。主要反应以下几个方面:①引水系统、厂房系统和水道系统三维网格;②整个工程区全部排水孔网格（其中厂房顶部和岔管上方平洞内的斜排水孔均简化为水平排水孔）。

图6 地下隧洞群及防渗帷幕三维网格图Fig.6Three dimensional FEM meshes of the underground tunnels and cut-off curtain

4.2 研究区域的边界条件

图7 工程区所有排水孔三维网格图Fig.7Three dimensional FEM meshes of all the drainage holes

根据研究区域范围确定了工程运行期计算区边界条件如下:①模型上边界取地下水位680 m，库盆内水位取正常蓄水位625 m，上库下游河道内按地表高程进行控制。②模型下边界和下库淹没区内取下库正常蓄水水位136 m。左右边界都取为隔水边界。③地表按入渗边界，入渗流量为60 mm/a，底面边界按隔水边界控制。④地下厂房系统、排水系统，交通洞等按可能逸出边界处理。⑤引水管道和尾水管道系统充水按定水头边界处理。

4.3 计算区参数选取

根据天然渗流场反演的各地层参数结果，确定了研究区地层参数见表1。

表1计算区各材料的渗透参数

Table 1Parameters of seepage property of materials in the computational areacm/s

序号材料水平渗透系数KxKy垂直渗透系数Kz 1强风化6×10-56×10-56×10-5 2弱风化2×10-52×10-52×10-5 3新鲜基岩1×10-61×10-61×10-6 4防渗帷幕2×10-52×10-52×10-5 5混凝土面板1×10-81×10-81×10-8 6裂隙带4×10-44×10-44×10-4 7断层F35×10-55×10-55×10-5 8断层X61×10-41×10-61×10-4 9断层F55×10-55×10-55×10-5 10断层F125×10-51×10-55×10-5 11断层X121×10-51×10-61×10-5 12混凝土衬砌2.6×10-62.6×10-62.6×10-6

4.4 计算结果分析

由于篇幅所限，本文重点讨论水道系统全部充水后整个工程区的渗流场分布。图8给出了整个工程区地下水位等值线分布，图9给出了引水系统1#机组纵剖面水头等值线图，图10给出了引水系统上水平段横剖面水头等值线图。图11给出了岔管段横剖面水头等值线图。

水道系统全部充水运行后工程区的渗流场有以下几个特点:

（1）上下库正常蓄水及水道系统充水后，整个渗流场的水头分布规律合理，等值线形态、走向和密

图8 工程区地下水位等值线Fig.8Contours of groundwater level in the project area

图9 引水系统1#机组剖面局部水头等值线Fig.9Partial contours of water level in the profile of 1#power set of the drainage system

图10 岔管段纵剖面水头等值线Fig.10Contours of water level along the profile of branch pipe segment

集程度都正确地反映了相应位置处的渗控措施特点和边界条件。在地下厂房排水系统、交通洞和平硐共同排水作用下，在平硐上方和地下厂房上方都形成了较大的水位漏斗（见图8）。压力管道排水洞和厂房上侧为非饱和区，厂房附近地下水位约26 m左右，厂房周围和上面排水系统排水效果显著，在厂房区上游侧、左右侧以及下游侧排水孔幕和排水廊道控制下，主厂房上游侧出渗面相对较低（见图9）。

图11 引水系统上水平段横截面水头等值线图Fig.11Contours of water level in the cross section of upper horizontal segment of the drainage system

（2）引水系统压力管道由于混凝土衬砌管道内水外渗，使岔管段承受较高内水压力和一定的外水压力。岔管上方压力管道的排水洞和排水孔起到了很好排水作用，降低了压力钢管承受外水压力（见图10）。

（3）引水隧洞周围的等水位线分布成密实封闭圆环，越向内水位越高，在压力钢管附近特别是和岔管段周围出现高压区，反映出引水隧洞内的高压水向周围岩体中渗透（见图11）。而在尾水隧洞所处区域的渗流场的水位本身相对较高和下库水位较为接近，尾水隧洞内的内水对渗流场的影响不明显。

5 结语

工程案例表明，采用改进的截止负压法、子结构法和改进的排水子结构法可以很好地解决复杂地下厂房系统、地下管道系统和复杂排水系统的渗流场精细模拟问题。文登抽水蓄能电站整个工程区渗流场分布合理，渗流各主要影响因素对渗流场的影响均得到了比较合理的反映。引水管道下水平段和岔管上方的平洞和排水孔幕等渗控措施能有效控制高压渗水，起到了排水降压作用，且地下厂房区域排水系统排水效果较好。目前的渗控设计方案基本能保证工程的运行安全。

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（编辑:王慰）

Numerical Simulation on the Complex Seepage Field of Underground Caverns of Wendeng Pumped Storage Power Station

LIU Chang-jun1，WANG Xiao-wei2，XU Jia-cun3，TANG Bo3
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China;
2.Jianyuan Geologic Engineering＆Investigation Co.Ltd.，Nanjing210029，China;
3.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co.Ltd.，Nanjing210022，China）

Wendeng pumped-storage power station is composed of water intake system，underground powerhouse system，tailrace system and the upper and lower reservoir.The underground chambers，seepage control system of the upper and lower dam，and the adits and densely distributed drainage holes above the penstock construct the complex impervious system of the station.GWSS（Groundwater Simulation System）software was adopted in the numerical simulation analysis on the complex seepage field of the project.Characteristics of the complex seepage field，the external water pressure of conduit pipe and the impervious effect of the upper dam during normal operation were investigated.The result shows that the pressure on the conduit pipe and branch pipe can be reduced obviously and hence the seepage control effect meets the requirement by setting plughole and drainage curtain at the top of the horizontal segment of the high-pressure tunnel.

3-D seepage field;underground tunnel;method of modified cut-off negative pressure;method of drainage substructure;FEM

TV139.14

A

1001-5485（2013）04-0073-06

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.016

2013，30（04）:73-78

2011-02-15;

2012-06-07

国家“十一五”科技支撑课题（2008BAB42B05，2008BAB42B06）;国家国际科技合作计划资助（2010DFA74520）

刘昌军（1978-），男，山东郓城人，高级工程师，博士，从事水工结构工程和岩土工程渗流数值模拟方面的研究，（电话）010-68781901（电子信箱）lcj2005@iwhr.com。