水电站地下厂房渗控效应的敏感性分析

周先祥,徐 良

(1.中铁时代建筑设计院有限公司,安徽 芜湖 241001; 2.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098; 3.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200232; 4.同济大学 土木工程学院,上海 200092)

水电站地下厂房渗控效应的敏感性分析

周先祥1,2,徐 良3,4

(1.中铁时代建筑设计院有限公司,安徽 芜湖 241001; 2.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098; 3.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200232; 4.同济大学 土木工程学院,上海 200092)

地下厂房多位于降雨形成的天然水位线以下,渗漏成为主要问题,不仅影响厂房的正常运行,还可能对厂房的安全造成极大的危害。文章采用有限元数值模拟方法,开展了地下厂房在不同防渗帷幕和排水系统组合失效工况下渗控效应的敏感性分析;通过多工况的计算,详细评价了水电站厂区防渗排水措施的渗控效果,从而为工程建设提供合理依据。计算结果表明:防渗帷幕能够有效减小渗流量、降低厂房区的自由面,排水系统排水减压效果明显,采取渗流控制措施后厂房洞室渗流场得到了很好的控制。

防渗排水;敏感性分析;有限元;数值模拟

渗流控制是水电站及其枢纽建设的关键技术问题之一,不仅事关厂址选择,也事关工程安全与经济效益。据不完全统计,约1/3的工程区失事是由渗流引起的[1]。某水电站工程区水文地质条件比较复杂,两岸坝肩断层及蚀变带较发育,渗漏及渗透稳定问题较为突出,因此,需要对该水电站厂区渗流场进行较为精确的计算和分析,提出合理、可靠的防渗排水措施,确保坝体及地下厂房长期运行下的渗透稳定。

本文采用三维有限元数值精细模拟[2-3],实现对地下厂房防渗帷幕和排水孔幕在失效工况下渗控效应的敏感性分析。有限单元法[4]是古典变分法与多块多项式插值结合的产物,这种结合不仅使有限单元法保持了原有变分法的优点,而且兼有了差分法的灵活性。经过近50 a的发展,有限单元法在渗流计算中的应用已经比较成熟,特别是在解决有自由面的无压渗流问题方面。本文的研究成果对地下厂房渗控优化设计具有一定指导意义,对类似工程渗控效应的模拟与评价也具有一定的参考意义。

1 基本原理

渗流简化模型假设渗流区的全部空间被液体所充满,其密度等于实际的液体密度,为不可压缩流体。这种渗流场满足不可压缩流体的连续性微分方程[5]:

(1)

根据达西定律和质量守恒原理[6],稳定渗流控制微分方程和边界条件为:

(2)

其中,h为水头;kij为渗透张量大小。

透水边界为:

(3)

流量边界为:

(4)

其中,qn为边界流量，n为边界面单位外法向向量,对于隔水边界,qn=0。

浸润面边界为:

(5)

其中,H为浸润面边界。

渗出段边界为:

(6)

此外,考虑到工程渗控效果评价及地下洞室涌水量预测往往涉及计算渗流量的问题,根据定义,通过某一断面S的渗流量Q[7-8]可表示为:

(7)

利用有限单元法计算渗流量,一般采用中断面法计算。在中断面法中,假设断面S穿过的单元集合为E,则对E中的每个单元e,利用单元中断面流速在中断面面积上的积分来计算通过该单元的渗流量,即

(8)

其中,Se为e单元中断面。

2 计算模型

根据水电站厂区工程枢纽布置、地质地形条件、防渗帷幕布置以及排水孔幕和排水廊道布置情况等,建立了地下厂房三维整体有限元模型,如图1所示。整个计算域采用六面体等参单元和部分退化的四面体单元剖分,共划分单元1 356 725个,结点653 521个。

图1 地下厂房三维整体防渗排水系统布置有限元模型

根据地质勘察资料统计,在不考虑工程干扰对渗透性影响的条件下,将各层岩体中的钻孔压水段数据按照每5 m进行离散化处理,并取其平均值作为各渗透分区的渗透参数,具体取值见表1所列。

表1 厂区各类岩体渗透系数取值 cm/s

3 地下厂房渗控效果研究

3.1 正常工况下典型剖面的渗流场分析

正常工况下主厂房段横剖面等水头线及自由面如图2所示(单位为m)。

山体中防渗帷幕前的地下水位较高,自由面穿过帷幕时出现下降趋势,防渗帷幕较好地阻止了库水位下从上游往下游的渗漏,在该剖面中自由面在帷幕后下降至厂区帷幕第2层排水廊道2 100 m仰孔中溢出,厂房前2 150、2 100 m排水廊道均存在地下水溢出情况。典型剖面渗透坡降最大为7,位于防渗帷幕后的厂房排水廊道处,厂房围岩渗透坡降较低。

正常工况下主厂房中心纵剖面等水头线及自由面如图3所示(单位为m),山体中的地下水通过帷幕汇入厂区,在厂区帷幕及排水孔幕作用下急剧下降,自由面在帷幕前的高程约为2 180 m,进入河道中的地下水经过抗力体排水廊道和厂房第3层廊道排水作用后,在主厂房靠近河道侧底部边墙溢出,排水孔幕的排水效果显著,从而在厂区围岩中形成明显的降落漏斗。

图2 主厂房段横剖面等水头线

图3 主厂房段中心纵剖面等水头线

3.2 失效工况下渗控效应的敏感性分析

(1) 防渗帷幕失效工况。由于地质条件差异和帷幕耐久性等问题,帷幕的防渗性能可能偏离实际设计标准。针对厂区防渗帷幕失效30%、50%、100%的工况与防渗帷幕不失效的工况(即正常工况)进行渗控效应敏感性分析。

帷幕失效下主厂房横剖面自由面分布如图4所示,当防渗帷幕的防渗性能发生变化时,厂区典型剖面的变化情况基本一致。厂区离防渗帷幕较远的部位变化较小,而靠近防渗帷幕处变化显著。坝基帷幕不失效(即正常工况)、失效30%、50%、100%时对应的厂区渗漏总量分别为34.4、35.3、35.8、35.9 L/s。这表明在排水孔幕不变的情况下,渗漏量随防渗帷幕失效程度增加而有所增大,流量受坝基帷幕渗透系数影响较为显著。

图4 帷幕失效下主厂房横剖面自由面分布图

(2) 排水孔幕失效工况。排水孔幕在运行时有可能遭受到后期地下水携带物的拥堵而造成大面积的失效,因此有必要分析排水孔幕失效对渗流场的不良影响。

取排水孔幕失效30%、50%、100%的工况与排水孔幕不失效的工况(即正常工况)进行对比。计算结果表明,随着排水孔幕失效程度增加,帷幕后自由面逐步抬升,并流入厂房第2层排水廊道,在主厂房边墙溢出。厂区排水孔幕不失效(即正常工况)、失效30%、50%、100%时对应的厂区渗漏总量分别为34.4、33.9、33.4、27.4 L/s,渗漏量随排水孔幕失效比例增加而减少。这是由于排水孔幕的密集布置,当排水孔幕失效30%、50%时,地下水仍能通过一定的路径经由附近的排水孔排出,但排水过程减慢,因而渗漏量有所减少,自由面有所抬升。

(3) 排水孔幕与防渗帷幕不同失效组合。排水失效与帷幕失效的组合工况是对厂区渗流控制最不利的工况,不同失效组合工况见表2 所列。防渗帷幕和排水孔幕失效100%时，取原来岩体的渗透系数；防渗帷幕失效30%和50%时，分别取帷幕渗透系数的70%和50%；排水孔幕失效30%和50%时，分别取排水孔幕渗透系数的70%和50%。在正常运行下,针对4个工况开展不同失效组合下厂区渗控效应的敏感性分析。

表2 地下厂房防渗排水组合失效工况

排水孔幕与防渗帷幕不同失效组合工况与正常运行工况的主厂房段横剖面渗流自由面分布对比如图5所示。

图5 组合失效下主厂房横剖面自由面分布

从图5可以看出,除工况4帷幕和排水孔全部失效外,其他失效工况自由面随失效比例增加而有所抬升,自由面变化基本一致。工况4时,由于只有排水廊道排水,无任何防渗措施,自由面抬升比较显著,淹没了厂房第1层排水廊道,并在主厂房边墙溢出,主厂房段横剖面最大渗透坡降为5,在第2层排水廊道处。与正常工况相比,虽然最大渗透坡降较低,但厂区围岩的整体渗透坡降明显增大。

通过厂区三维渗流场计算,可以获得各工况下流入厂区排水廊道、地下洞室的渗漏量,各失效工况与正常工况下不同工程部位的渗漏量见表3所列。

从表3可以看出,相比于正常工况,工况1、工况2、工况3流量有所增加,当工况4排水孔幕和防渗帷幕全部失效时,排水措施只有排水廊道,厂区排水总流量显著减少,抗力体排水廊道渗漏量变化不明显,地下洞室的渗漏量明显增大。这表明失去防渗帷幕和排水孔幕的防渗排水作用之后,厂房承受了较大的排水压力,渗漏问题突出。

表3 5种工况下排水廊道及地下洞室的渗漏量 L/s

4 结 论

(1) 排水孔幕失效的敏感性分析表明,失去排水孔幕的排水作用后,厂房承受了较大的排水压力,渗漏问题突出,因此应注意保持排水孔幕的通畅。

(2) 防渗帷幕失效的敏感性分析表明,当帷幕施工质量较好时,帷幕后的地下水位较低,渗漏量较小,当防渗帷幕失效时,帷幕前地下水位有所降低,而帷幕后的自由面有所抬升,渗漏量有所增大,因此渗漏量可以作为检验防渗帷幕施工质量的依据。

(3) 排水孔幕与防渗帷幕不同失效组合分析表明,与单纯的排水失效或者帷幕失效相比,组合失效工况下厂区的渗漏问题更加突出,表现为厂房渗漏量与洞室围岩渗透坡降均增大,特别是在排水孔幕和防渗帷幕全部失效的工况下。因此,保证排水孔幕的通畅以及防渗帷幕的施工质量是避免工程发生渗漏问题的关键。

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[5] 毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京:中国水利水电出版社,2003:10-50.

[6] 侯晓萍,徐青,陈胜宏.用空气单元法求解渗流场的逸出边界问题[J].岩土力学,2015,36(8):2345-2351.

[7] 王腾,朱岳明.坪头水电站地下厂房渗控措施效果研究[J].红水河,2011,30(1):19-22.

[8] 宋晓晨,徐卫亚.裂隙岩体渗流概念模型研究[J].岩土力学,2004,25(2):226-232.

Sensitivityanalysisofseepagecontroleffectsonundergroundpowerhouse

ZHOU Xianxiang1,2, XU Liang3,4

(1.China Railway Shi Dai Architectural Design Institute Co., Ltd., Wuhu 241001, China; 2.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200232, China; 4.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Underground powerhouse used to be located under rainfall-induced natural water level, as a result leakage becomes a major problem. It affects the normal operation of underground powerhouse, and may cause a great threat to the safety of plant. Sensitivity analysis of the seepage control effects on underground powerhouse with different combinations of impervious curtain and drainage system is conducted by adopting the finite element method. According to calculation results under different operating conditions, seepage control effects of the measures of anti-seepage and drainage are evaluated, which can provide reasonable reference for the engineering construction. The results indicate that impervious curtain can effectively reduce the seepage flow and lower the free surface. As a result, the decompression effects of drainage system are obvious, which means that the measures for controlling seepage field of underground caverns achieve good results.

seepage control and drainage; sensitivity analysis; finite element; numerical simulation

2016-03-09；

2016-05-25

周先祥(1970-),男,安徽肥东人,中铁时代建筑设计院有限公司高级工程师,河海大学硕士生.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.021

TU943.1

A

1003-5060(2017)11-1543-04

(责任编辑 张淑艳)