桓仁抽水蓄能电站上库库区渗流场三维有限元分析

孙 博

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

随着我国经济的飞速发展和居民日常生活用电量的增加[1]，目前我国电力的发展并不能满足人民的用电需求，所以找到更加有效的发电手段，成了我国能源部门接下来的主要任务。事实证明，抽水蓄能电站是一种十分高效的发电装置[2]，能很好地提供电能。随着抽水蓄能电站的不断发展，我国的电力需求逐渐得到满足。

在抽水蓄能电站中，要对上库区[3]的渗流破坏重点对待，上库一般缺乏天然径流[4]，上库区大部分要直接接受水压力的作用，整个枢纽工程的安全稳定都与渗流问题有关。渗流问题不仅会造成上库库区的严重渗漏和经济损失，还会对其它水工建筑物产生非常不利的渗透压力，也可能引起坝基坝址的渗透变形破坏，对抽水蓄能电站的安全稳定造成十分不利的影响。如果不能及时引起相关人员的重视并进行处理，必将危及到抽水蓄能电站的整体稳定性[5]。因此，在抽水蓄能电站的设计中，首先要求工程设计人员必须熟练掌握渗透规律，并对工程已经产生的渗流问题进行分析治理来防止灾难的发生。本文将以桓仁抽水蓄能电站上库工程为实例，具体分析渗流破坏对抽水蓄能电站上库区的影响，并试图找到可以解决渗流破坏的办法。

1 工程概况

桓仁抽水蓄能电站建于辽宁省桓仁县内，上库建于桓仁水库近坝库区左岸通天沟内，下库使用之前建成的桓仁水库，水库距离桓仁县4km远。上库正常蓄水位463.00m，死水位432.50m，电站装机容量800MW。上水库最大库容为1816×104m3，安全等级为二等大⑵型工程，主要建筑物级别为2级，主坝按1级建筑物设计[6]。主坝为面板堆石坝，坝轴线方位角NW316°45′36″，坝顶高程为466.20m，最大坝高106.00m，坝顶长为632m[7]；副坝为混凝土重力坝，最大坝高14.50m，坝顶高程为465.80m，坝顶长402m。主要建筑物地震设计烈度为6度。

上库区东挨桓仁水库，西边临近浑江，上库区地形如图1所示。上池库区为一三面环山的洼地，库周分水岭总长约2.1km，分水岭厚一般为200～400m，最厚为800m，最薄处仅100m左右。总体来看，除北侧牤牛哨沟垭口外，库盆封闭条件尚好。但库外由于浑江河谷深切，上库东、西、北三面临空，多呈陡崖地形，分水岭多不宽厚，加之陡崖卸荷裂隙发育，地下水排泄条件较好，地下水位普遍埋藏较深[8]，因此，水库渗漏问题较突出。

图1 桓仁上库地形与枢纽图

2 上库防渗帷幕布置优化分析

为了比较各工况下上库区防渗系统的防渗效果，提出防渗帷幕合理的优化布置方案，利用饱和渗流理论[9]和有限元原理[10]等理论方法，建立上库运行期三维有限元模型，分析上库运行期渗流场的变化规律。通过对库盆和坝体渗透流量和渗透坡降的分析，得到了不同帷幕条件下的帷幕所能达到的防渗效果。这里考虑的运行期是指上库蓄水后上库区形成稳定渗流场。

2.1 三维有限元计算模型

运行期计算模型规划范围，如图2所示。

图2 运行期模型规划范围及部分控制面

基于桓仁抽水蓄能电站上库天然期地下水有限元模型，运行期有限元模型又加入了很多新的结构，包括开挖、主坝、副坝、防渗帷幕、库底回填和防护及库岸排水廊道等结构。建立模型时，各主要建筑物均按实际尺寸考虑。按照水工建筑物的位置、地层岩性和模型需求，设置控制面14个。根据这14个控制面离散出超单元结构[11]，这个超单元结构的结点个数为1352，超单元个数为933；接着精确划分形成有限元网格，剖分成的有限元网格结点个数为31545，单元个数为30106。上库区有限元型网格如图3所示，垂直防渗帷幕、主坝混凝土面板、基础排水体和坝体等上库主要结构有限元网格如图4所示。

图4 上库主要结构有限元网格图

运行期模型中提到的计算参数，均参考工程概况、水文地质资料和相关规范，并结合天然地下水渗流场反演分析确定。

(1)坝基岩体各层渗透参数，见表1。

(2)坝体各料区渗透参数，见表2。

(3)帷幕灌浆幕体渗透系数，见表3。

表1 坝体各料区渗透参数

表2 坝体各料区渗透参数 单位：m/s

表3 帷幕灌浆幕体渗透系数

2.2 计算工况

为了分析推荐方案的合理性及对推荐方案进行优化分析，确定多组对比工况进行防渗帷幕布置分析，详细计算工况见表4。计算分析各工况渗流场的位势分布和渗流量大小，其中上库库水位取正常蓄水位463.00m，校核洪水位463.80m，下游水位为270m。

表4 防渗帷幕布置优化计算工况

经三维有限元计算，对典型剖面的关键位置进行比对分析，各剖面位置见表5。绘制等势线剖面的位置如图5所示。

图5 等势线剖面位置示意图

序号坐标桩号部位A#(-762.3,724.2)(804.1,-969.2)坝右0+281.67坝体中央B#(1037.8,-793)(949.1,355.4)—库盆中央

2.3 上库区渗流场特性分析

各工况下，由运行期上库区地下水位等值线如图6所示，坝体及库周剖面地下水位势分布如图7～11所示。

图6 不同工况下地下水位等值线图(单位：m)

图7 SSK- 11工况位势分布图

图8 SSK- 1工况位势分布图

图11 SSK- 14工况位势分布图

上库区渗流场拥有较为明确的位势规律，左岸库周地下水位略低于正常蓄水位，并且在无防渗帷幕的情况下，水位线分布比较稀疏，说明存在比较严重的渗漏问题。两坝肩和右岸库周地下水位低于正常蓄水位，因而库内的水通过左右库岸渗向左右岸库周岩体内。地下水主要通过两岸坝肩及右岸部分岩体渗向下游。

各工况下面板防渗体系削减水头作用明显，帷幕上游侧地下水位势抬升，通过面板的渗漏水能够及时被粗砂层和垫层排走，并未在坝体中形成饱和区，因而浸润面很低未经过上部坝体，仅在底部靠近建基面附近的覆盖层内通过。由于左岸库周地下水高于右岸库周，因此库盆区渗流场也随之不对称，右岸坝肩地下水变化较快，岩体内渗透坡降较大，左岸坝肩地下水位变化较慢，岩体内渗透坡降较小。

在正常蓄水位作用下，正常设计工况(工况SSK- 1)，帷幕削减水头作用明显，且帷幕下游库底透水带作用明显，因而在帷幕下游并未形成承压区，地下水流受防渗帷幕阻渗的影响，形成突降，浸润面基本沿透水带下降，地下水主要通过两岸坝肩渗向下游。防渗帷幕深度整体缩短到5Lu工况(工况SSK- 12)、防渗帷幕深度整体缩短到10Lu工况(工况SSK- 13)和不设帷幕工况(工况SSK- 11)，帷幕防渗效果依次递减，幕后水位逐渐增高，其中不设帷幕工况(工况SSK- 11)帷幕下游地下水位较高。

2.4 渗透坡降变化规律分析

由表6、7及各工况位势分布图可见，由于浸润面很低并未进入上部坝体，坝体堆石区几乎全部处于非饱和状态，因而此处仅重点分析防渗体的渗透坡降。地下水通过左右岸库岸和库尾库岸补给上库，因而有必要分析左右岸库岸和库尾库岸岩体渗透坡降。其中，库盆防渗帷幕为布置在库盆中库底防护料以下岩体内的防渗帷幕。

表6 各工况下部分防渗体和库岸岩体的最大平均渗透坡降表

表7 防渗帷幕的最大平均渗透坡降表

(1)面板渗透坡降计算结果表明,防渗帷幕布置的变化对面板渗透坡降几乎没有影响，面板渗透坡降维持在90.47左右，远小于允许渗透坡降200。这是因为帷幕布置的变化基本对面板后地下水位没有影响，且面板上最大作用水头不变，帷幕布置的变化对面板的渗流性态几乎没有影响。

(2)库盆防渗帷幕在设计方案(工况SSK- 1)库盆防渗帷幕的最大平均坡降为5.53，出现在主坝坝基防渗帷幕线中点处，与防渗帷幕整体缩短(工况SSK- 12、工况SSK- 13)相比，各工况防渗帷幕的缩短使得其最大平均渗透坡降都略有减小。而(工况SSK- 14)的渗透帷幕深度虽然比设计方案(工况SSK- 1)长，最大平均渗透坡降却跟设计方案(工况SSK- 1)相差不大，综合成本施工难度考虑还是设计方案(工况SSK- 1)更加优化。各工况下坝基的最大平均渗透坡降均小于允许渗透坡降，满足渗透安全稳定性要求。

(3)坝肩防渗帷幕在设计方案(工况SSK- 1)下，坝肩防渗帷幕最大平均渗透坡降在左右岸分别为7.93和2.74；相比防渗帷幕整体缩短(工况SSK- 12、工况SSK- 13)，防渗帷幕的缩短使得其最大平均渗透坡降都有减小。而(工况SSK- 14)的渗透帷幕深度虽然比设计方案(工况SSK- 1)长，最大平均渗透坡降却跟设计方案(工况SSK- 1)相差不大，综合成本施工难度考虑还是设计方案(工况SSK- 1)更加优化。帷幕渗透系数的改变对最大平均渗透坡降的影响较大。各工况下坝肩防渗帷幕渗透坡降均小于允许渗透坡降，满足安全渗透稳定性要求。

(4)正常蓄水位情况下(工况SSK- 1)，库岸岩体最大平均渗透坡降为0.239；相比防渗帷幕整体缩短(工况SSK- 12、工况SSK- 13、工况SSK- 14)，防渗帷幕的缩短使得其最大渗透坡降基本不变。各工况下库岸最大平均渗透坡降均小于允许渗透坡降，满足渗透安全稳定性要求。

2.5 渗透流量变化规律分析

帷幕深感性分析，研究帷幕深度与库盆渗漏量之间规律，实现帷幕深度优化设计。坝基帷幕按照设计固定值深度不变，仅对库周的防渗帷幕深度进行比较。计算在原地下水分布初始条件下进行。敏感性分析，共包括3个工况，分别将帷幕按1、5、10Lu渗透线控制。下面将计算结果与参考结果(仅坝基帷幕和100m帷幕)进行比较，见表8及如图12所示。

表8 帷幕深度敏感性分析结果

图12 不同帷幕深度布置库盆渗漏量柱状图

结果表明，水库渗漏量与帷幕深度呈负相关，既随帷幕深度增大而减小。因为100m埋深以下岩体的透水率基本都可以达到1Lu以下，所以帷幕全部100m时渗漏量与帷幕做到1Lu渗透线比较接近，说明帷幕深度控制在1Lu渗透线已经足够。

上库区渗流场排布规律明确，库水通过库周渗向库外。上库区渗流场拥有较为明确的位势规律，左岸库周地下水位略低于正常蓄水位，并且在无垂直帷幕的情况下，水位线分布比较稀疏，说明存在比较严重的渗漏问题。左岸库周地下水位低于正常蓄水位，两坝肩和右岸库周地下水位也均彽于正常蓄水位，因而库内的水通过左右库岸渗向左右岸库周岩体内。地下水主要通过两岸坝肩及右岸部分岩体渗向下游。面板削减水头作用明显，防渗帷幕深度和渗透系数的变化对其影响不大。随着防渗帷幕深度的变化，左右岸坝肩和库盆的防渗帷幕变化较大，当防渗帷幕深度达到设计方案(SSK- 1)要求的深度时，防渗效果最好，若继续增加防渗帷幕深度则影响不大，故防渗帷幕设计方案是最优方案。

3 结语

通过上述分析可以看出在桓仁抽水蓄能电站上库防渗帷幕推荐方案的基础上，改变防渗帷幕的深度，发现随着帷幕深度的缩短，帷幕防渗效果变差，幕后水位增高，帷幕最大平均渗透坡降有所减小，面板渗透坡降基本不变。说明了帷幕灌浆的效果好坏对防渗效果有直接的影响。综上所述，上库防渗推荐方案可以满足防渗要求，其设计在技术上是合理的，且设计方案是防渗帷幕布置的最佳方案。

本文只是单纯的从渗流角度去分析桓仁抽水蓄能电站上库库区渗流场，未能考虑应力场对渗流场的影响，今后还应进行应力场与渗流场耦合等问题的研究，以便获得更精确的渗流特性结果，为工程设计、施工提供更好的支持。