某抽水蓄能电站地下厂房不同情况下排水量数值模拟

陈立强

（福建华东岩土工程有限公司，福建 福州 350003）

1 基本地质条件

某抽水蓄能电站位于江苏省境内，发电规模130万KW。工程部位由上水库、引水发电系统及下水库等枢纽部分构成。上水库主坝坝体最高处183.5m，总体库水容量为1703万m3；下水库坝体最高处为33.4m，总体库水容量为1676万m3。工程场地位于通济河支流～洛阳河的上游，观音山北侧山脊上。为一冲积沟源，四周山脊由东北逆时针向南环绕成呈近圆形，盆底小冲沟发育，地势不平，高程在100～140m左右，冲沟向东南侧延伸，高程在90～100m，坝址处沟谷呈宽缓的 “V”字型；下水库位于仑山水库上游姊妹桥溪高家边村至上孟村之间的河段，水库区长约2km，南岸山体雄厚，北岸地形低缓，输水线路由上水库北东侧山体穿过仑山主峰后直达下水库南岸，沿线山体宽厚。工程场地地层复杂，主要有震旦系灯影组葡萄状构造细晶白云岩、寒武系幕府山组具磷臭味含磷白云岩、炮台山组薄层的泥质白云岩、观音台群含燧石结核的硅质白云岩、奥陶系含燧石条带灰岩、龟裂纹状灰岩，二叠系栖霞组具臭鸡蛋味的臭灰岩、龙潭组炭质泥岩、不纯灰岩、白垩系杨冲组粉砂岩、上党组的粗面岩等。工程区位于宁镇山脉汤山—仑山复背斜东段核部，构造发育，其中断裂F7、F8分布在上水库，断裂F9分布下水库坝址右岸，断裂F12分布在下水库南岸及库盆，输水系统及地下厂房洞室群（包含主厂房、副厂房、主变洞等地下洞室）位于区域性断裂F8、F9、F12所围成的块体内。研究区内地层分为中、弱、微三个发育强度岩溶化层组，其中均匀型纯碳酸盐岩岩组岩溶为中等岩溶发育强度，以溶蚀裂隙、溶沟（溶槽）、溶洞或宽缝型溶蚀裂隙为主，发育有岩溶管道；地下厂房出露的岩性为含磷白云岩、细晶白云岩，属于纯碳酸盐岩岩组，岩溶发育强度中等，侵入有约26条岩脉，接触带溶蚀强裂，围岩均为微风化～新鲜，岩质坚硬，岩体透水性弱；地下洞室群位于地下水位以下，具有疏干排水特征，遇较大的溶蚀裂隙或富水断裂或岩脉旁侧可能出现短时间突水、突泥，涌水量和水压力瞬间变大，围岩以Ⅲ1～Ⅳ为主。

2 计算模型边界及工程措施计算组合

2.1 岩体渗透系数的确定

关于岩体渗透系数张量的确定方法，国内外许多学者做了大量工作，归纳起来可分为四种：依次为第一类方法——裂隙统计法、第二类方法——抽水试验法、第三类方法——压水试验法和第四类——数值反演法[1-2]。

不同的方法适合于不同的水文地质条件和实际工程情况。第一类方法是基于统计学方法，根据岩体裂隙结构面的几何测量值，采用数理统计计算岩体的渗透系数张量。该方法简单、实用，但要在实际岩体中采集准确的节理结构面产状、宽度、长度等几何参数难度很大或者根本无法精确测量，近似的断层、裂隙面几何参数测量值会带来相对粗糙的计算结果。第二类方法是基于解析解方法，对实际抽水试验资料进行汇总确定岩体渗透系数张量。基于解析法的各种抽水试验方法虽然数学推导理论严密，但对水文地质边界条件的要求均严格，必须是均质的含水层岩体。对于非均质各向异性的含水层岩体，一般只能采用第三或第四类方法。压水试验一般而言可以在任意岩层实施，试验成果较为客观、可信，确定的岩体渗透系数比较准确。但往往受现场环境的限制，一般试验人为因素影响较大，专门性的压水试验耗资大，为一般工程难以承受，只能是一些大型工程、典型地段结合地质钻孔进行。第四类数值反演的方法，它反映的是在给定初值和边值条件下，通过实测地下水动态信息拟合，而获得的参数。它虽不全等于实际岩体渗透参数，但反映了整个研究区岩体水力学特征。该方法的关键是动态数据的可靠性、模型选择的合理性及反问题解的唯一性。为了能求得不同非均质的参数和提高求解精度，要求在研究区域布置较多数量的地下水长期观测孔、且分布合理，有长期水位观测资料[3-6]。

表1 计算范围内各分区岩体透水性

本文为了达到较高的计算精度，采用压水试验方法来确定相关岩体的渗透系数。按岩体结构面发育特征和风化特点，将研究范围内的岩体在垂直方向上分为三个区，自上而下依次为Ⅰ区-全强风化区、Ⅱ区-弱风化区和Ⅲ区-微新风化区。（1）Ⅰ区透水率为38.2Lu，换算成渗透系数为0.42m/d；（2）Ⅱ区透水率为4.5Lu，换算成渗透系数为0.048m/d；（3）Ⅲ区透水率取1.0Lu，换算成渗透系数为0.010m/d。在地下洞室群周边设置防渗灌浆帷幕。由于研究区NW向裂隙较NE向裂隙发育，所以计算时把NW向岩体的渗透系数换算成为NE向岩体渗透系数的2倍，其总的大小不变。计算中各区的渗透系数取值见表1。

2.2 研究范围的选取及模型建立

研究范围主要是地下厂房洞群室，其范围如图1所示。

图1 研究范围示意图

在选取渗漏范围时，以地下洞室群为主，同时考虑地貌条件、地质条件和有利于边界条件的确定。正北方向为x轴；正西方向为y轴；垂直向上为z轴。研究区三维剖分网格图如图2，上水库、下水库库盆处作为第一类边界，上水库库盆北部及东部以分水岭为边界，作为第二类边界，地下厂房洞室群四周壁作为溢出面处理。其余边界均为零流量边界处理。计算时，洞室群处若有灌浆帷幕，灌浆帷幕的厚度取5m，灌浆帷幕的渗透系数取10-5cm/s。研究范围共剖分了20096个节点，18750个单元。

图2 研究范围剖分图

2.3 工程措施组合

结合影响山体地下水向洞室群渗漏量的主要因素：地下洞室群外围有无防渗灌浆帷幕，有无减水设施，自然状态和蓄水工况等共计算了12种组合。

组合1：上水库未蓄水；无灌浆帷幕、无排水洞；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合2：上水库未蓄水；灌浆帷幕已建成，灌浆帷幕的渗透系数为10-5cm/s，但是无排水洞；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合3：上水库未蓄水；有排水洞，且设置三层排水洞（高程分别为56m、26m、-9m），但是无灌浆帷幕；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合4：上水库未蓄水；灌浆帷幕和排水洞均已完成，灌浆帷幕的渗透系数为10-5cm/s，设置三层排水洞（高程分别为56m、26m、-9m）；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合5：上水库已建成，土工膜和防渗面板正常，水库蓄水至268m高程；灌浆帷幕已建成，灌浆帷幕的渗透系数为10-5cm/s，但是无排水洞；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合6：上水库已建成，土工膜和防渗面板正常，水库蓄水至268m高程；排水洞已建成，设置三层排水洞（高程分别为56m、26m、-9m）；但是无灌浆帷幕；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合7：上水库已建成，土工膜和防渗面板正常，水库蓄水至268m高程；灌浆帷幕和排水均已完成；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合8：上水库已建成，土工膜和防渗面板正常，水库蓄水至268m高程；灌浆帷幕和排水洞均已完成；岩体的透水性为各向同性，即NW向的透水性与NE向的相等。

组合9：上水库已建成，土工膜和防渗面板正常，水库蓄水至268m高程；灌浆帷幕和排水洞均已完成；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合10：上水库已建成，土工膜和防渗面板均失效，它们的透水性均扩大到4倍，上水库蓄水至268m高程；灌浆帷幕和排水洞均已完成；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合11：上水库已建成，土工膜和防渗面板均失效，它们的透水性均扩大到10倍，水库蓄水至268m高程；灌浆帷幕和排水洞均已完成；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

组合12：上水库已建成，土工膜和防渗面板均失效，它们的透水性均扩大到20倍，水库蓄水至268m高程；灌浆帷幕和排水洞均已完成；岩体的透水性为各向异性，NW向岩体的渗透系数为NE向岩体渗透系数的2倍。

3 计算结果及分析

不同组合下地下洞室群的渗漏量计算成果见表2，自由面等值线图见图3。

表2 不同计算组合地下厂房排水量表

3.1 灌浆帷幕对渗漏量的影响

在自然状态下，无灌浆帷幕（组合3）时排水洞的渗水量为2683.8m3/d，地下洞室群的渗水量为427.9m3/d；而有灌浆帷幕（组合4）时，排水廊道的渗水量为1546.5m3/d，地下洞室群的渗水量为403.7m3/d。在上水库设计水位后，水库的防渗措施正常的情况下，无灌浆帷幕（组合6）时排水廊道的渗水量为2681.9m3/d，地下洞室群的渗水量为414.8 m3/d；而有灌浆帷幕（组合9）时，排水廊道的渗水量为1561.8m3/d，地下洞室群的渗水量为416.3m3/d。由此可见，灌浆帷幕的作用可以大大减小排水洞的渗水量，所以在地下厂房外围设置灌浆帷幕是非常必要的。但是应注意的是灌浆帷幕只能阻挡四周来水，而无法减少地下厂房底板高程处地下水的上涌量。

3.2 排水洞对渗水量的影响

在自然状态下，无排水洞（组合2）时，地下洞室群的渗水量为1589.6 m3/d；而有排水洞（组合4）时，地下洞室群的渗水量为403.7m3/d。在上水库达设计水位后，水库的防渗措施正常的情况下，无排水洞（组合5）时，地下洞室群的渗水量为1620.6m3/d；而有排水洞（组合9）时，地下洞室群的渗水量为416.3m3/d。由此可见，排水洞的作用可以大大减小地下洞室群的渗水量。

3.3 岩体的性质对渗水量的影响

由于岩体中大量发育断层、岩脉和溶蚀裂隙，特别是陡倾角结构面，使得岩体具有非均质各向异性的特点。所以又作了岩体各向异性的程度对渗水量的敏感性分析。组合7中考虑岩体北NE向的透水性是NW西向的5倍，排水洞的排水量4026.6m3/d，地下厂房的渗水量为769.6 m3/d；组合8中考虑岩体北NE向的透水性等于NW西向的透水性，即认为岩体为各向同性，排水洞的渗水量1514.3m3/d，地下洞室群的渗水量为343.2 m3/d；组合9中考虑岩体北NE向的透水性是NW西向的2倍，排水洞的渗水量为1561.8m3/d，地下洞室群的渗水量416.3m3/d。由此可见岩体的各向异性特点对地下洞室群处排水洞的影响非常显著，陡倾角节理使得地下洞室群底板高程处地下水的上涌量大增。

图3 12种组合自由面等值线图

3.4 上水库库盆防渗失效对渗水量的影响

为了比较上水库盆防渗失效对地下厂房处排水洞和地下洞室群渗水量的影响，分别计算了组合10、10和12。组合10为土工膜和防渗面板的透水性扩大到4倍，排水洞的渗水量为1566.3m3/d，地下厂房的渗水量为421.2 m3/d；组合10为土工膜和防渗面板的透水性扩大到10倍，排水洞的渗水量为1568.2m3/d，地下洞室群的渗水量为423.1m3/d；组合12为土工膜和防渗面板的透水性扩大到20倍，排水洞的渗水量为1569.8m3/d，地下洞室群的渗水量为424.7m3/d。

4 结论

研究表明，上水库库盆防渗效果对地下洞室群处排水洞和地下洞室群渗水量的影响很小，是由于灌浆防渗帷幕挡住了周围的来水。因此仅从减少地下洞室群渗水量的方面来看，假定上水库内未发育通向地下洞室群的渗漏通道前题下，进行专门的上水库防渗对地下洞室群渗水量的影响不大。如查发育这样的渗漏通道如岩溶管道、断层带等，则地下洞室群渗水量会增大，因此建议对上水库库盆进行全面的防渗处理。

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