河南南阳回龙抽水蓄能电站上库渗漏计算水文地质参数的验证

王贵军,闫长斌,王志宏

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

河南南阳回龙抽水蓄能电站上库渗漏计算水文地质参数的验证

王贵军,闫长斌,王志宏

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

上库特殊的地形、地质条件决定了上库渗漏的严重性,水文地质参数是影响渗漏计算成果的关键因素,勘察设计阶段采用工程类比确定的计算参数可能存在较大误差。工程施工后,根据同一构造带在洞内的渗水情况,选择合理边界条件和概化模型可以反算构造带的渗透系数,反算后的结果表明,原渗漏计算采用的渗透系数是合理的,研究成果为防渗方案的最终确定提供了可靠的依据。

水文地质;等效渗透系数;边界条件;概化模型

1 工程概况

回龙抽水蓄能电站位于河南省南召县城东北约16 km的江淮分水岭附近,电站装机容量为120 MW,由上库、下库及引水发电系统组成。上库总库容113万m3,上库工程主要包括主坝、副坝等建筑物。主坝为碾压混凝土坝,最大坝高54 m,坝顶长208 m,坝顶高程900 m,副坝为常态混凝土重力坝。

由于上库、下库库容较小,枯水季节补给水量很少,水库可供调节的水量有限,为保证工程正常运行,必须采取有效的渗控措施。经估算,上库的允许渗漏量应控制在600 m3/d左右。因此上库在防渗处理后的渗漏量就成为方案选择的关键因素,为此,采用了目前国内领先的三维有限元渗流计算方法对比选方案的总渗漏量进行了比较精确的计算,为选定经济合理的工程措施提供了依据[1]。

2 上水库的地质构造特征及水文地质条件

2.1 地质构造特征

上库为一小型集水盆地,库盆近似扇形,南北长300 m,东西宽250 m,库盆北西为一峡谷出口,东面为江淮分水岭,库盆外侧地形很陡,南侧和北侧均被支沟切割。环库盆山梁高程一般为898～960 m。

上库库区基岩岩性主要为燕山晚期细粒花岗岩,局部为似斑状花岗岩。

上库构造的一个显著特点是沿沟谷均发育不同规模的构造破碎带,有的属节理密集带,有的为断层。在引水发电洞的施工中,发现上库分布的断层和节理带向下延伸数百米,在洞内有不同程度的渗水或涌水现象,水量大小与构造带的规模和结构特征有关。这些构造带切穿库盆,形成库水外渗的通道,构成上库渗漏的主干网络,对库盆渗漏起控制作用,主要构造带的特征见表1,其中在洞内出露的构造带有L36、L51。构造带在上水库和引水隧洞的同时揭露,为水文地质参数验证提供了条件。

表1 主要构造带特征表Table 1 Feature of the main tectonic zone

2.2 水文地质条件

由于库盆处在沟谷包围之中,库周山梁单薄,经钻孔长期观测,水库周边地下水位除东南方向因有地表水补给略高于蓄水位,其它部位低于正常蓄水位25～60 m,呈现东南高、西北低的特点,库盆内不存在统一的地下水面,存在零星出水点,地下水受构造控制明显。经三维渗流计算,在不防渗条件下渗漏量达11 186 m3/d,存在严重的渗漏问题。

3 计算模型建立

3.1 假定条件

(1)假定断层带是近于各向同性的均质体,渗流符合达西定律,渗透系数为等效渗透系数。

(2)假定地表沟底入渗点(断层在沟底出露)为稳定水头,根据断层地表出露情况,在r=600 m的范围内,其稳定水头h=50～100 m。

(3)假定断层厚度均匀,所采用厚度为等效厚度。

3.2 概化模型

引水隧洞穿过的高倾角断层按垂直考虑,引水下平洞的半径为r0,设断层的渗透系数为K,断层平均厚度为d,引水下平洞中心距边界距离为R,且边界的水位为h0,引水洞内的水位为a,概化模型表示为图1,边界条件为:

设断层中的地下水向引水洞流动,其流线呈径向(放射状)流动。这样,任一半径为r(距洞中心距离)的过水断面呈圆弧状。所以任一过水断面上的面积可以表示为弧长与断层厚度的乘积:

对于图1中的过水断面的面积,洞底以上的圆弧长度可以近似的用h代替,这时,图中右半部的过水断面面积为:

图1 地下水沿断层向隧洞流动的概化模型Fig.1 Generalized model of underground water along falut to tunnel

则r处的单宽流量为:

例4、原文：(略)我们日里到海边捡贝壳去，红的绿的都有，鬼见怕也有，观音手也有。晚上我和爹管西瓜去，你也去。

解法一:

式③相当于三个单宽流量的代数和:

各单宽流量代表着所在断面的流量。

为求解方程式③,可以假设:各断面的流量不随r而变化,也就是说各断面所在的条带是由流线所圈闭的[2]。

这样假设后,就可对式④中各式单独求解,然后,再按三个流量进行叠加,得到式③的解。

由式④中的第①式,得:

对其积分,并应用边界条件式①,有:

对式④中的第②式积分得:

然后,得:

此式为引水洞内一侧的渗流近似计算式。该式对洞壁水位低于洞中心(即,a

这样,由实测的洞内渗流量、洞壁水位、边界水位,就可计算出断层的渗透系数:

当引水洞两侧的水位不对称时,设右侧洞壁水位为a1,右边界距离为R1,右边界水位为h1;设右侧洞壁水位为a2,右边界距离R2,水位为h2;渗流量计算式为:

根据引水洞开挖3个月后实测的渗流量(L51是根据排水设施出水量估算并减去L36渗漏量,L36是在洞底临时设置挡水堰用桶量测)、地下水出露点高度和假定边界条件,由式⑩可以近似计算出渗透系数。

从计算公式分析,除边界水头h0和边界距离R外,其它均为实测值,对计算精度影响不大。然而,通过敏感性分析可见,当边界水头h0和边界距离R任意一个发生变化时,渗透系数都会随之变化,变化范围介于1.43～4.47 m/d之间,说明假定条件的合理性对计算结果影响较大。

4 结语

上库三维渗流计算模型所采用的水文地质参数主要依据前期地质勘察成果类比确定,包括断层构造带的分布、宽度、产状、深度等。根据上库库盆开挖后揭露的情况看,L37、L48、L50、L51等大部分断层构造带的分布、宽度及产状与计算模型相符。根据引水下平洞(埋深400 m)开挖后揭露的情况看,主要构造带的性状与地表出露的情况也基本一致。因此,计算模型所采用的水文地质条件与实际情况基本一致。断层构造带渗透系数计算采用3 m/d,实际数值根据引水平洞L36及L51的渗流推算为0.5～4.5 m/d。因此,原计算模型所采用的水文地质参数是符合实际的。

由于断层带的结构不同于均质的砂层或砂砾石层,在其宽度内存在分带性,地下水的类型属裂隙—孔隙水,计算结果只能是等效渗透系数。由于本文涉及的案例只有在施工后才能验证,因此也存在一定的局限性,只是提供一种思路供大家参考。

[1] 王贵军,刘国玉.南阳回龙抽水蓄能电站上库三维渗流计算及防渗优化研究[J].小水电,2003(6):7-8.

[2] 李泽民,李昂,等.回龙抽水蓄能电站库盆岩体非连续介质渗流模拟新方法与防渗新工艺研究[R].北京:水利部黄委会勘测规划设计研究院,清华大学,2003:100-103.

(责任编辑:于继红)

Validation of Hydro-geological Parameters for Upper Reservoir Seepage Calculation of Huilong Pumped Storage Power Station in Henan Province

WANG Guijun,YAN Changbin,WANG Zhihong
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

The special terrain and geological conditions of upper reservoir have resulted in serious leakage of upper reservoir.The hydro-geological parameters are key factors for seepage calculation,while there is a biggish error in calculation parameters confirmed by project comparison method during investigation and design phase.The hydraulic conductivity of tectonic zone has been back calculated through selecting reasonable boundary condition and generalized models after construction,according to the seepage situation in cavity of the same tectonic zone.The results show the hydraulic conductivity adopted in formerly seepage calculation is reasonable.The results have provided credible references for determining the seepage control scheme ult imately.

hydro-geology;equivalent hydraulic conductivity;boundary condition;generalized models

TV139.1;TV743

A

1671-1211(2010)05-0493-03

2010-07-05;改回日期:2010-09-06

王贵军(1965-),男,高级工程师,水工建筑专业,从事水利水电工程勘察设计工作。E-mail:wgj651024@126.com