地下厂房复杂渗流场数值分析及工程应用

胡建平,刘亚莲,杨 旭

(1.广东水利电力职业技术学院,广东广州510635;2.广东华水建设工程有限公司,广东广州510635)

裂隙岩体由于各种地质作用而被尺寸、方向、性质各异的裂隙所切割而属于多相的不连续介质,其渗透特性主要取决于岩体结构面,结构面的隙宽和粗糙性是影响结构面的渗流特性和力学特性的重要因素[1]。目前裂隙岩体数值分析模型主要有等效连续介质模型、离散裂隙网络模型和混合模型。等效连续介质模型是裂隙岩体模拟为具有对称渗透张量的各向异性连续体利用连续介质理论进行分析,理论基础较成熟,但裂隙密度较小时真实性难以保证;离散裂隙网络模型以每条裂隙为研究对象利用各裂隙交叉点流量相等的原理进行水力计算,由于裂隙分布具有随机性,裂隙较多时,真实裂隙系统很难模拟,工程中应用较少;混合模型是将等效连续介质模型和离散裂隙网络模型结合,即对于裂隙密度较小的区域采用离散裂隙网络模型,对于裂隙密度大的区域采用等效连续介质模型。地下厂房一般建在裂隙岩体中的,其渗流场属于岩体渗流。本文采用等效-离散耦合模型,结合固定网格结点虚流量法及改进的排水子结构技术[2],以某抽水蓄能电站地下厂房为例,对裂隙岩体中地下厂房复杂渗流场进行分析,并对渗控措施的效果进行评价,为地下厂房渗流控制设计提供科学依据。

1 计算方法

由Darcy定律得非均质各向异性多孔隙介质中的稳定饱和渗流连续微分控制方程为:

其中:xi,xj为坐标,i,j=1,2,3;kij为达西渗透系数张量,描述岩体的透水能力和渗透各向异性特性,当用不同的坐标系时它的6个独立的渗透系数元素大小是不同的;h=z+p/r,为总水头,z为位置水头,p/r为压力水头;Q是源或汇项。

若已知式(1)渗流问题的实际渗流域大小,则据变分原理,式(2)和式(3)分别为上述问题的求解泛函和有限单元法代数方程,式(2)的解{h1}即为渗流场的解。

其中:Π(h)为泛函;Ω1为渗流实域;[k1],{h1}和{Q1}分别为渗流实域的总矩阵,结点水头列阵和结点等效流量列阵。

有自由面渗流问题的求解中最早是用变网格迭代法[3],这种方法由于计算网格的不停变动,使计算工作量增加。自1973年Neuman首次提出用不变网格求解有自由面问题的渗流场以来,基于固定网格的自由面数值模拟方法研究及其应用发展迅速[4-6]。本文采用的基于固定网格的结点虚流量法,是目前求解这类问题最有效最稳定的算法之一。用该法计算时,取计算域大于真实渗流域,定义计算域中位于渗流自由面以上的区域为渗流虚域,位于自由面以下的区域为渗流实域,实域和虚域中的单元相应地称为实单元和虚单元,被自由面穿过的单元为过渡单元,自由面可能所在的区域为渗流过渡域。在解题过程中通过迭代的方法,不断地消除渗流虚域与虚单元以及过渡单元中虚域的影响,从而得到问题的真解,该法的有限元解题基本迭代格式为:

其中:[k]、{h}和{Q}分别为计算域 Ω=Ω1+Ω2(Ω2为位于渗流自由面以上的渗流虚域)时的总传导矩阵、结点水头列阵和已知结点水头对计算域贡献的流量列阵;{Q2}为已知结点水头对虚域贡献的流量列阵;{Δ Q}为渗流虚域中虚单元和过渡单元所贡献的结点虚流量列阵;[k2]为渗流虚域的传导矩阵。

对于有密集排水孔幕的渗流场分析计算,排水孔幕的准确精细模拟至关重要,本文采用朱岳明[7]等(1997)提出的改进排水子结构法。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某抽水蓄能电站主要建筑物有上水库及拦河坝、引水系统、地下厂房、下水库及拦河坝等。上水库拦河坝为钢筋混凝土面板堆石坝,下水库拦河坝为碾压混凝土重力坝。引水系统由引水隧洞、高压隧洞、高压岔管、尾水岔管和尾水隧洞组成。高压隧洞及高压岔管均采用40 cm～60 cm厚的钢筋混凝土衬砌,衬砌后内径3.5 m～8.5 m。地下厂房布置在引水系统中部,埋深350 m～380 m,开挖规模(长×宽×高)152.0 m×22.0 m×47.64 m,采用喷锚作为永久支护和岩锚吊车梁[8]。如图1、图2所示。

图1 工程枢纽布置图

图2 引水系统剖面图(单位:m)

区内地质构造以断裂为主,在岩体中共发育有6组断层裂隙,以NW、NNW 和NNE三组最发育,其中以NW向断层规模较大,延伸较长,如图3。

图3 地质纵剖面图

地下水类型主要为基岩裂隙水,据观测资料,地下水位埋深一般在10 m～30 m,靠近冲沟更浅。

2.2 渗控措施布置[9]

2.2.1 厂外防渗帷幕设计

在主厂房和主变洞的上游侧及左、右侧设置一道近“U”型的防渗帷幕。每条引水隧洞在进厂房洞室前为钢板衬砌段,其首部设置环形阻水灌浆帷幕并与防渗帷幕中心重合。防渗帷幕灌浆孔2排,排距2 m,孔距3m。环形阻水灌浆帷幕在隧洞顶部范围灌浆孔5排,排距1.5 m,孔距1 m,孔深6 m;在隧洞底部范围灌浆孔3排,排距1.5 m,孔距1 m,孔深6 m。

2.2.2 排水系统设计

厂外排水系统由主探洞、南支探洞、岔管顶探洞以及贯通主探洞和岔管顶探洞与高压引水钢支管轴线平行的两条新开的排水洞1、排水洞2、排水洞3作为排水网络系统的排水廊道,如图4所示。

排水系统设计参数见表1。

图4 地下洞室排水系统图

在厂房洞室及主变洞室等的边墙和顶拱布置排水孔,排水孔孔径48 mm,孔距4.5 m、孔深5 m。将渗水引至底层,经通道、埋管等厂内排水网络,最终汇集渗入渗漏集水井,再用深井泵抽排出厂外,形成厂内排水系统。

2.3 计算模型及单元网格

2.3.1 计算参数的确定

根据围岩渗透试验成果及回归分析,围岩的渗透系数与地应力关系如下:

Ⅱ类围岩:

断层区域的主渗方向:

断层区域的非主渗方向:

式中:kr为围岩或断层的渗透系数(cm/s);σ为垂直方向的地应力(在山体地应力以自重应力为主的情况下,σ为最大地应力);

混凝土的渗透系数为:主渗方向(沿径向开裂方向)kc=1×10-7(cm/s);非主渗方向kc=5×10-8(cm/s);防渗帷幕区单元的渗透系数为2.36×10-6(cm/s)。

表1 排水系统设计参数

2.3.2 计算域范围及边界条件

计算范围:上游取上库外侧,下游取下库外侧,左侧取至引水隧洞以左500 m为界,右侧取距引水隧洞右侧500 m为界,铅直向上取至原地面,铅直向下取至离厂房洞室约200 m处。

边界条件取为:上下游垂直面和底面均为不透水面;左右山体岸坡侧面结点水头取为地质剖面上地下水自由面高程;上游取上库水位高程;下游取下库水位高程;上库至下库的地表面为渗流可能逸出面,实际逸出点须迭代计算中才能确定。排水孔内边界为可能逸出面,但最底层排水孔幕中内壁面为已知水头面,且当排水孔自由面高程低于这一排水孔顶端面的位置时,排水孔视为失效;排水廊道、引水隧洞为排水面,厂房、尾闸室及尾水洞周壁面为渗流可能逸出面。

2.3.3 计算模型及网格剖分

计算中每个排水子结构沿排水孔幕的纵向分别采用了3孔和5孔方案。防渗帷幕在剖分网格时也作为子结构进行处理。图5为其空间透视图。

图5 空间透视图

2.4 计算结果分析

通过计算,3孔排水子结构方案和5孔排水子结构方案计算结果相近,为减少篇幅,下面仅对3孔方案计算结果进行分析。

本次计算共进行了5个工况的三维整体渗流场计算,工况1为初期充水、机组调试、试运行;工况 2为放空检查、验收水道;工况3为再充水、电站正式投入运行;工况4为放空检修引水支管钢衬灌浆孔封焊缺陷;工况5为再充水继续投入运行。各工况渗流场等水头线分布见图6～图10。

图6 工况1时垂直剖面渗流场等水头线分布图

图7 工况2时垂直剖面渗流场等水头线分布图

从工况1～工况5计算结果中看出,渗流控制措施使得洞室群厂区的渗流特性得到了良好的控制,从垂直剖面渗流场等水头分布图上可以清晰地看到在灌浆帷幕与外排水幕之间,等水头线密集,地下水出现急变区,在外排水幕之后,地下水位变得平缓,在厂房、主变室区出现很大范围的疏干区,即因渗流入渗能力远小于排水设施排水能力而形成了渗流水头损失的集中区,所以浸润线到达帷幕后发生骤降。渗流自由面得到的降低,对厂区及主要洞室围岩的稳定性也起到了很好的减压作用。

图8 工况3时垂直剖面渗流场等水头线分布图

图9 工况4时垂直剖面渗流场等水头线分布图

图10 工况5时垂直剖面渗流场等水头线分布图

3 结 论

岩体裂隙渗流是造成许多岩体工程事故的主要因素之一。地下厂房的渗流问题不仅涉及到饱和-非饱和渗流场问题,还涉及到裂隙岩体的渗流问题,其渗流问题几乎是所有水利工程渗流问题中最复杂的一种。地下厂房的防渗排水设计是工程安全的关键,本文采用裂隙岩体等效-离散耦合模型,结合固定网格结点虚流量法及改进的排水子结构技术对某抽水蓄能电站裂隙岩体复杂渗流场进行了分析,对渗流控制设计进行了评价,计算结果表明地下厂房渗控设计方案是合理可行的。

[1] 朱岳明.裂隙岩体渗流研究述评[J].河海科技进展,1991,11(2):16-25.

[2] 朱岳明,陈震雷,吴 忄音,等.改进排水子结构法求解地下厂房洞室群区的复杂渗流场[J].水利学报,1996,(9):79-85.

[3] 朱伯芳.有限元原理及其应用[M].北京:中国水利水电出版社,1998:258-260.

[4] 张有天,陈 平,王 镭.有自由面渗流分析的初流量法[J].水利学报,1988,(8):18-26.

[5] 吴梦喜,张学勤.有自由面渗流分析的虚单元法[J].水利学报,1994,(8):67-71.

[6] 梁业国,熊文林,周创兵.有自由面渗流分析的子单元法[J].水利学报,1997,(8):34-38.

[7] 朱岳明,张燎军.排水孔穿过自由面时渗流场的改进排水子结构法求解[J].岩土工程学报,1997,19(2):72-79.

[8] 叶 冀.广蓄电站水工高压隧洞设计施工的若干问题[J].水力发电学报,1998,(2):38-49.

[9] 潘运方.广蓄电站高压管道排水系统布置[J].人民珠江,1994,(5):5-7.