国外某抽水蓄能电站三维渗流分析

2021-12-22洪佳敏刘明华倪绍虎吕慷郑海圣

大坝与安全 2021年4期

关键词：支洞施工期洞室

洪佳敏，刘明华，倪绍虎，吕慷，郑海圣

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

国外某抽水蓄能电站的地下厂区位于天然地下水位以下，为了评估厂区渗流控制方案的有效性，并对运行期、施工期渗漏流量进行预测，需要对地下厂区的工程布置与渗控措施进行精细模拟，并开展三维有限元渗流分析，从而获取地下厂房围岩的渗流特性。

采用稳定渗流分析方法，结合SVA算法[1]，通过建立厂区整体模型，就其渗流场分布特性进行计算分析，并对渗漏流量进行预测，可为工程建设提供合理的建议。

1 渗流分析理论

根据达西定律和质量守恒原理，稳定渗流控制微分方程为：

式中：h为水头；kij为土体的渗透系数张量。

式（1）应满足的边界条件包括如下4类：

①水头边界条件

式中：Γ h为已知水头边界；hˉ为已知水头。

②流量边界条件

式中：Γ q为已知流量边界；qn为边界流量（渗入为正，溢出为负）；n为边界面单位外法向向量。对于隔水边界，qn=0。

③自由面边界条件

式中：Γ f为自由面边界；z为垂直向坐标。

④溢出面边界条件

(4)如出现流沙现象，应改善泥浆性能，可在泥浆中加入适量的重晶石粉和CMC以增大泥浆密度和提高泥浆黏度，增大孔内泥浆压力和形成泥皮的能力。

式中：Γ s为溢出面边界。

渗流运动本质上受地下水的质量守恒方程和线性动量守恒方程控制，但其演化过程同时受初始条件、边界条件和计算参数的制约。从物理机制上看，渗流控制可归结为耦合过程控制、初始状态控制、介质特性控制和边界条件控制4 类[1-2]。在该抽水蓄能电站厂区渗流控制中，设置的排水廊道属于边界条件控制。上述问题可采用SVA 方法求解[3-6]。

2 计算模型

2.1 工程概况

该抽水蓄能电站装机容量340 MW，主要用于调峰、调频、事故备用、电压调节、无功负荷及黑启动等。工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和地面开关站组成。水库无地表径流补给，用从北部的加利利湖通到下水库附近的水管进行初期蓄水和日常蒸发补给。

上水库位于缓坡上，地面高程从南面的212 m往北逐渐降到185 m。上库库盆南部为开挖岸坡，其他部位为填筑土坝。正常蓄水位207.8 m，相应库容310万m3，死水位185.6 m，死库容10万m3。上库采用全库盆土工膜防渗。

下水库库区大部分地面高程介于-218～-226 m之间，但北侧地形降到约-235 m。水库北侧采用土坝封闭，其余部位的库盆由开挖形成，并采用复合土石坝沿库周加高到坝顶。正常蓄水位-215.0 m，相应库容310万m3，死水位-235.75 m，死库容10万m3。下库采用全库盆土工膜防渗。

输水系统总长3 163.28 m，其中引水系统1 508 m，尾水系统1 655.28 m。输水系统主要建筑物包括上库进水口、引水事故检修闸门井、引水上平洞、引水调压井、高压竖井、高压隧洞、引水岔管、引水支管、尾水支管、尾水岔管、尾水调压井、尾水隧洞、下库进水口等。引水及尾水系统均采用一管两机布置，其中压力管道竖井、压力管道下平段与尾水管段采用钢管衬砌，其余洞段则采用钢筋混凝土衬砌。

地下厂房位于山体内约1 060 m，埋深约400 m。厂房中心线距离引水高压竖井、上库进出水口、下库进出水口分别为220 m、1 100 m、1 730 m。厂房轴线方向为正北向。引水高压支管垂直进入厂房，尾水支洞与厂房下游边墙垂直。厂房内安装两台立轴式机组，单机容量为170 MW，总装机容量340 MW。

地下洞群主要包括主副厂房洞、主变洞、进厂交通洞、紧急逃生洞及电缆洞、母线洞和排水廊道。主副厂房洞和主变洞平行布置，主变洞位于主副厂房洞下游侧，两洞净距40 m。主副厂房洞开挖尺寸为82.2 m×18.0 m×42.0 m（长×宽×高），主变洞开挖尺寸为76.0 m×15.5 m×18.5 m（长×宽×高）。主副厂房洞与主变洞通过进厂交通洞、两条母线洞相连接。主副厂房洞的拱肩高程附近还设置有一层排水廊道，并相应布置有排水孔幕。排水廊道、紧急逃生洞与电缆洞环绕在地下洞群周围，能够起到一定的排水降压作用。

2.2 工程地质条件

该抽水蓄能电站地下厂区的工程地质如图1所示。地质勘察结果表明，工程区的天然地下水位较高，钻孔A 揭露的地下水稳定高程约为-75 m。工程布置的主厂房、主变室、尾水调压室位于天然地下水位以下。地下厂区的地层岩性主要为玄武岩，岩层倾角约为15°，附近无断层或节理密集带发育，因此地下厂区附近围岩的渗透特性一般表现为弱透水至极微透水。

图1 地下厂区的工程地质剖面Fig. 1 Engineering geological profile of underground power⁃house

2.3 有限元模型

为了满足计算分析的需要，根据工程地质、水文地质和洞室布置图等基本资料，建立了厂区整体三维有限元模型。整体模型的有限元网格如图2（a）所示。计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，模型底部高程为-495 m。共划分单元1 040 151个，节点623 106个。各洞室与整体模型的相对位置关系如图2（b）所示。由于上水库及下水库均采用全库盆土工膜防渗结构，因此，整个电站渗流场分析只需要考虑地下洞室。模型较为严格地模拟了主厂房、主变室、尾水调压室、排水廊道、引水隧洞、尾水隧洞、施工支洞、进厂交通洞、紧急逃生洞及电缆洞等结构，如图2（c）所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.4 计算参数与边界条件

根据地勘资料和混凝土的材料特性，各岩层的基本渗流计算参数如表1所示。基于工程类比，混凝土衬砌的渗透系数取为1.0×10-6cm/s。

表1 岩体渗透特性Table 1 Permeability characteristics of rock mass

对运行期与施工期两种情况下的渗流场进行分析，相应的边界条件如下。

（1）运行期边界条件：模型侧面边界节点按工程地质报告[7]中给出的地下水位取为定水头边界；尾水隧洞与下游调压室的内表面节点基于正常运行期水头取为定水头边界；混凝土衬砌视为可透水介质，而钢衬砌则视为隔水边界；各地下洞室、施工支洞、排水廊道及其他边界均视为潜在溢出边界。

（2）施工期边界条件：模型侧面边界节点取工程地质报告[7]中给出的地下水位为定水头边界；在施工期，引水隧洞、尾水隧洞与尾水调压室的开挖面尚未衬砌，因此取为潜在溢出边界；各地下洞室、施工支洞、排水廊道及其他边界均视为潜在溢出边界。

3 计算结果分析

3.1 运行期厂区三维渗流场分析

3.1.1 典型剖面渗流场分布

正常运行工况下，厂房机组段横剖面的等水头线分布如图3所示，厂房机组段纵剖面的等水头线分布如图4所示。计算结果表明，由于厂区天然地下水位较高，因此在正常运行工况下各地下洞室（包括主厂房、主变室）基本位于地下水自由面以下。同时，排水廊道与施工支洞附近的水头分布显示，排水廊道与施工支洞显著降低了其附近岩体的渗透水压力。

图3 运行期厂房机组段横剖面等水头线（单位：m）Fig. 3 Water head lines on profile of powerhouse unit section during operation period

图4 运行期厂房纵剖面等水头线（单位：m）Fig. 4 Water head lines in longitudinal profile of powerhouse unit section during operation period

图5 运行期厂区围岩渗透坡降矢量Fig. 5 Seepage gradient in powerhouse surrounding rocks dur⁃ing operation period

3.1.2 渗漏流量统计

正常运行工况下，流入各洞室的渗漏流量如表2 所示。流量计算结果显示，渗漏流量主要集中在厂房附近的施工支洞中。正常运行工况下，渗漏总流量为14.99 m3/h。根据设计资料，各洞室的渗漏流量将汇入位于厂房的集水井中，并最终由水泵抽排。

表2 运行期各洞室渗漏量Table 2 Leakage of each cavern during operation period

3.2 施工期厂区三维渗流场分析

3.2.1 典型剖面渗流场分布

施工期工况下，厂房机组段横剖面的等水头线分布如图6所示，厂房机组段纵剖面的等水头线分布如图7所示。计算结果表明，由于厂区天然地下水位较高，因此施工期条件下各地下洞室（包括主厂房、主变室等）基本位于地下水自由面以下。由于施工期比运行期有更多的开挖面可供地下水溢出，因此自由面也相对较低。此外，模拟结果还显示，低于地下水位的地下厂房附近还存在有渗流干区。这是由于地下厂房上方有一层完整性较好的玄武岩岩层，其渗透系数较两侧岩体显著偏小，可视为相对隔水层。当厂区地下水经开挖面汇入各洞室后，上层岩体中的地下水无法透过隔水层补给下层岩体，因此在厂区周围形成了局部干区。同时，排水廊道与施工支洞附近的水头分布显示，排水廊道与施工支洞显著降低了附近岩体的渗透水压力。