地下厂房围岩渗控效应精细模拟与评价

郑华康，陈益峰，洪佳敏，周 嵩，周创兵

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，武汉 430072)

地下厂房围岩渗控效应精细模拟与评价

郑华康1,2，陈益峰1,2，洪佳敏1,2，周 嵩1,2，周创兵1,2

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，武汉 430072)

我国西南地区河谷深切，坝址区地貌及地质条件复杂，地下厂房的位置往往离库区较近，水库蓄水后，地下厂房围岩渗流特性将成为影响工程安全和正常运行的重要因素之一．为减小厂区渗漏并改善厂房围岩的渗透稳定性，工程设计采取防渗帷幕、排水孔幕和排水廊道等渗流控制措施．采用子结构、变分不等式和自适应罚函数相结合的方法(简称 SVA方法)，开展了牙根二级水电站厂区整体三维渗流场分析，评价了厂区围岩渗流控制方案的合理性，并论证其优化的可能性．研究结果表明：厂区防渗排水系统的渗流控制效果显著，防渗排水系统设计方案总体上是合理、有效的；厂区上部排水系统对于以库水渗漏为主的渗流控制不起作用，高高程排水孔幕的间距可适当放宽；厂区副排水孔幕对减少厂区各洞室渗漏量、降低厂区围岩孔隙水压力并改善围岩的稳定性具有显著作用．

地下厂房；渗流控制；排水孔幕；SVA方法；精细模拟；牙根二级水电站

我国西南地区河谷深切，坝址区地貌及地质条件复杂，地下厂房的位置往往离库区较近，水库蓄水后，地下厂房围岩渗流特性将成为影响工程安全和正常运行的重要因素之一．工程中常采用防渗帷幕、排水孔幕和排水廊道等渗流控制措施，减小厂区渗漏并改善厂房围岩的渗透稳定性．为评价地下厂房围岩渗流控制方案的合理性，并论证其优化的可能性，需要对防渗、排水系统的渗流控制效应进行精细的模拟．

厂区围岩渗流分析有饱和/非饱和渗流分析方法和仅考虑饱和区渗流的稳定/非稳定渗流分析方法．非稳定渗流分析避免了岩体土水特性曲线及非饱和渗流参数测定难题，且对水库蓄水及运行过程中厂区围岩渗流场的演化规律具有较好的描述能力．然而，当厂区的渗控效应评价以长期稳定运行为主要目标且地质条件较为明确时，非稳定渗流分析可进一步简化为稳定渗流分析．

对于含复杂渗控结构的渗流问题，有限元数值分析方法数值模拟的难度主要有以下两点：一是渗流场的精确模拟问题；二是排水孔幕的精细模拟问题．前者涉及渗流溢出边界和自由面的确定，主要有剩余流量法[1]、初流量法[2-3]、渗透系数调整法[4]和节点虚流量法[5]等直觉化方法以及理论基础更为严格的变分不等式方法．其中，Zheng等[6]建立的 Signorini型变分不等式提法在理论上消除了溢出点的奇异性和由此引起的网格依赖性，对于无压渗流问题的精确求解具有明显的优越性．后者涉及排水孔幕结构及其边界条件在有限元模型中的正确表征，数值模拟方法很多，包括渗透特性等效模拟方法[7]、排水子结构法[8-9]、杂交元法[10]、“以沟代井列”法[11]、半解析法[12]、“以管代孔”法[13]、“以缝代井列”法[14]和复合单元法[15]等，但除了排水子结构法之外，上述方法均或多或少对排水孔的边界条件进行了简化，从而影响了解的严密性．

本文采用子结构、Signorini型变分不等式和自适应罚Heaviside函数相结合的方法(简称SVA方法[16])评价牙根二级水电站厂区围岩的渗流控制效应．SVA方法在一定程度上简化了排水孔幕的有限元建模，并有效克服了强边界非线性渗流问题的网格依赖性和数值不稳定性．通过建立厂区整体三维有限元模型，论证分析了厂区防渗、排水措施的合理性及进一步优化的可能性，为工程建设提供了合理的建议．

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；ijk为渗透张量．式(1)应满足如下边界条件．

(1) 水头边界条件

式中：Γh为已知水头边界；h为已知水头．

(2) 流量边界条件

式中：qΓ 为已知流量边界；nq为边界流量(渗入为负，溢出为正)；jn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fΓ为自由面边界．

(4) 溢出面边界条件

式中sΓ为溢出面边界．

根据式(1)和式(4)，陈益峰等[17]证明了稳定渗流自由面具有如下基本几何性质，即稳定渗流自由面在任一均匀介质内部必连续光滑、且单调下降，除非自由面穿过渗透性相差悬殊的两种介质之间的界面．这一性质可为渗流场计算成果的合理性判别提供直观的理论依据．

渗流运动在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状态、边界条件和介质特性的制约．从物理机制上看，渗流控制可归结为初始状态控制、耦合过程控制、介质特性控制和边界条件控制4类[18-19]．在地下厂房围岩渗流控制措施中，防渗帷幕属于介质特性控制的范畴；而排水孔幕、排水廊道则属于边界条件控制，其边界条件有水头边界条件、Signorini型潜在溢出边界条件及二者的混合边界条件3类[16]．

上述问题可采用 SVA方法求解．算法的具体实现可参阅文献[16]．

2 计算模型

2.1 工程概况

牙根二级水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，上游与牙根一级水电站衔接，下游与规划的楞古水电站衔接，水库正常蓄水位2,560.0,m，调节库容约 0.16亿 m3．其挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，最大坝高 120.0,m；引水发电系统由引水洞、地下厂房、尾水洞等地下洞室群组成，电站装机容量 1,080,MW．地下厂房主要由主副厂房、主变洞、尾水调压室等 3大洞室组成，其设计开挖尺寸(长×宽×高)分别为：216.80,m×26.80,m× 67.30,m，185.10,m×18.30,m×22.90,m，179.00,m× 22.50,m×77.00,m．

地下厂房洞室围岩为二长花岗岩，岩体完整性较好，断层和裂隙发育主要以 NE向为主，断层主要表现为挤压逆冲及平移性质，带宽均小于 0.9,m．地下厂房防渗排水工程由防渗帷幕、排水孔幕和排水廊道等组成．为利于联合防渗，节约工程量，大坝左岸帷幕灌浆与地下厂房的帷幕灌浆相连构成统一的防渗体系．在距厂房边墙 50,m处设置防渗帷幕，平行布置于厂房上游并延伸至尾水调压室下游侧．排水廊道分 3层布置，上层排水廊道位于厂房顶部围岩中，其底板高程为2,508.5～2,514.0,m；中、下2层排水廊道位于厂房四侧围岩中，底板高程分别为 2,474.5～2,480.0,m和 2,444.5～2,450.0,m．排水孔幕沿排水廊道轴线方向布置，间距为 3,m，各层排水廊道通过垂直排水孔幕连接，形成排水系统．其中，防渗帷幕后设置两层副排水孔幕，厂房围岩中设置3层主排水孔幕．地下厂房防渗排水系统示意如图1所示．

图1 地下厂房防渗排水系统示意Fig.1 Sketch of seepage control system of the underground powerhouse

2.2 有限元模型

为满足计算分析的需要，根据工程地质、水文地质和枢纽布置等基本资料，建立了厂区整体三维有限元模型，较严格地模拟了厂区各地层结构和地下洞室.

厂区整体三维有限元网格如图2所示，共划分单元 1,235,646个，节点 537,394个，模型计算范围为：取上游侧边界距输水系统进水口约 550,m，下游侧取至电站尾水出口下游延伸 450,m；左、右岸山体地下水各有其赋存特征，二者以河床作为水力联系的纽带，因此为了反映实际水文地质特征并减小模型规模，选取河床中心线作为模型的右侧边界；模型最低高程取正常蓄水位 2,560.0,m以下 570,m；整个计算模型上下游边界相距约 1,600,m，左右边界相距约750,m，模型最低高程为1,990.0,m．

图2 厂区整体三维有限元网格Fig.2 3D FE meshes of the whole underground powerhouse area

2.3 计算参数及边界条件

根据地质概化和现场试验成果，各地层以及渗控结构的渗透系数取值如表1所示．

表1 渗透系数取值Tab.1 Values of seepage coefficients

渗流分析的边界条件如下：大坝上游库水淹没区及引水隧洞混凝土衬砌部分取定水头边界，水头值为2,560.0,m；大坝下游河道及尾水隧洞取定水头边界，水头值为 2,483.8,m；模型左侧边界位于左岸山体中，取定水头边界，水头值根据初始渗流场反演分析结果取 2,596.0,m．引水隧洞的钢衬部分取隔水边界；上、下游侧面边界和底部边界取隔水边界．模型上表面除库水淹没区之外区域、各洞室、廊道的边界以及排水孔幕均设为潜在溢出边界．

3 计算成果分析

3.1 厂区典型剖面渗流场分析

在水库正常运行工况下，厂房机组段横剖面的等水头线如图 3所示．在上游侧，渗流自由面在防渗帷幕处急剧下降，穿过厂房围岩下层排水廊道，在机组段边墙底部溢出．在下游侧，渗流自由面穿过尾水调压室，并在机组段边墙底部溢出；主变洞完全位于自由面之上，不存在渗流溢出．

图3 厂房机组段横剖面等水头线(单位：m)Fig.3 Water head isolines of the unit cross section of the underground powerhouse(Unit：m)

主副厂房中心纵剖面的等水头线如图4所示．在靠近山体侧，渗流自由面在防渗帷幕处急剧下降，穿过厂房围岩下层排水廊道，在安装场边墙底部溢出．在靠近河道侧，渗流自由面穿过厂房围岩中层排水孔幕，并在副厂房边墙底部溢出．

图4 主副厂房中心纵剖面等水头线(单位：m)Fig.4 Water head isolines of the longitudinal section of the main powerhouse(Unit：m)

厂区主排水孔幕中心纵剖面的压力水头等值线如图 5所示．渗流自由面在左岸山体围岩中持续降低，降低幅度相对平缓，在防渗帷幕附近，渗流自由面下降趋势显著增大，穿过第2层主排水孔幕底部，在第3层排水廊道溢出．渗流自由面在靠近河道侧围岩中平缓降低，在主排水孔幕附近下降趋势增大，穿过第2层主排水孔幕底部，在第3层排水廊道溢出．

由图3～图5可见，排水孔幕均导致地下厂房围岩中的地下水渗流形成明显的降落漏斗，厂房中上部围岩基本上处于干燥或非饱和渗流状态，地下水得到有效控制，表明排水孔幕等渗控措施设计合理，布置得当，排水降压效果显著．

此外，图 3～图 5还表明，当电站进入稳定运行阶段时，位于自由面之上的排水系统对于以库水渗漏为主的渗流控制不起作用，但对降雨补给及厂区上部可能存在的局部承压水和上层滞水的疏导和排干仍起重要作用．由于这部分水量相对分散、流量较小，因此高高程排水孔幕的间距可适当放宽．

厂区2,447.0,m高程平切面渗流的等水头线如图6所示．水头等值线在远离地下厂房处分布较为稀疏，在副排水孔幕处分布较为密集，并在厂房洞室附近形成一个明显的低水头区．表明排水孔幕可有效降低孔隙水压力，从而减小厂房各洞室的入渗水量．

图5 厂区主排水孔幕中心纵剖面压力水头等值线(单位：m)Fig.5 Pore pressure isolines of the longitudinal section of the main drainage hole arrays in the underground powerhouse area(Unit：m)

图6 厂区2,447.0,m高程平切面渗流等水头线(单位：m)Fig.6 Water head isolines of the horizontal section of the underground powerhouse area at the elevation of 2,447.0,m(Unit：m)

3.2 厂区副排水孔幕渗控效应分析

在水库正常运行工况下，针对厂区防渗帷幕后设置副排水孔幕与不设置副排水孔幕两种情况，开展厂区副排水孔幕渗流控制效应的分析研究．

厂房机组段横剖面和主副厂房中心纵剖面的自由面对比分别如图7和图8所示．当防渗帷幕后不设置副排水孔幕时，渗流自由面在左岸山体围岩中明显抬升，特别是在防渗帷幕之后、主排水孔幕之前，两者差距更加显著，穿过主排水孔幕后，两者差别减小，均在厂房边墙底部溢出；在靠近河道侧的围岩中，渗流自由面略有抬升，但差别较小．

图7 厂房机组段横剖面的自由面对比Fig.7 Comparison of free surfaces of the unit cross section of the underground powerhouse

图8 主副厂房中心纵剖面的自由面对比Fig.8 Comparison of free surfaces of the longitudinal section of the main powerhouse

针对防渗帷幕后副排水孔幕设置与否两种方案，流入排水孔幕及各洞室的渗漏量如表 2所示．其中，方案1指防渗帷幕后设置副排水孔幕，方案2指防渗帷幕后不设置副排水孔幕．由表2可见，对于方案2，汇入主排水孔幕的渗漏量显著增大，达到方案1渗漏量的 3倍．其原因是，当防渗帷幕后未设置副排水孔幕时，主排水孔幕便成为防渗帷幕后第 1道排水屏障，直接面对来自上游及山体中的地下水，因此入渗水量显著增大．此外，主副厂房洞及尾水调压室的入渗水量明显增大，表明副排水孔幕对减少各洞室的渗漏量作用显著；流入排水孔幕及各洞室的渗漏量之和明显减小，反映出副排水孔幕对降低厂区围岩孔隙水压力也有显著作用．

一般而言，水电工程地下厂房大多只设主排水孔幕，副排水孔幕仅在围岩地质条件较差、围岩的稳定性问题较为突出或工程区富水性强、山体地下水位较高时设置．对于牙根二级地下厂房而言，其围岩的地质条件相对较好，但山体地下水位较高；尽管副排水孔幕的增设增加了一定工程投资，但从工程的长期安全考虑，其设置对地下厂房的安全、稳定运行是有必要的．

表2 流入排水孔幕及各洞室的渗漏量Tab.2 Seepage amounts of drainage hole arrays and different caverns m3/d

4 结 论

本文采用子结构、变分不等式和自适应罚函数相结合的方法(简称 SVA方法)，结合厂区整体三维有限元模型对牙根二级水电站厂区进行了三维渗流分析，取得如下结论．

(1) 在运行期工况下，厂区防渗排水系统的渗流控制效果显著，地下水在厂区围岩内形成明显的降落漏斗，主变洞和发电机层以上厂房围岩处于地下水自由面之上，渗压得到有效控制，表明厂区防渗排水系统设计方案总体上是合理、有效的．

(2) 厂区上部排水系统对于以库水渗漏为主的渗流控制不起作用，但其对降雨补给和厂区上部可能存在的局部承压水和上层滞水的疏导和排干仍起重要作用．由于这部分水量相对分散、流量较小，因此高高程排水孔幕的间距可适当放宽．

(3) 防渗帷幕后的副排水孔幕对降低厂区围岩孔隙水压力、减少厂区各洞室渗漏量有显著作用，其设置对地下厂房长期的安全、稳定运行是有必要的．

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(责任编辑：樊素英)

Elaborate Simulation of Seepage Control Effects on Surrounding Rocks of Underground Powerhouse

Zheng Huakang1,2，Chen Yifeng1,2，Hong Jiamin1,2，Zhou Song1,2，Zhou Chuangbing1,2
(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering of Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

The construction sites of hydropower stations in Southwestern China are typically characterized by deeplycut valleys and difficult geological conditions，and the underground powerhouse is commonly located nearby the reservoir. The seepage flow behavior in the surrounding rocks of underground caverns is one of the most important factors which may affect the safety and operation of the hydropower station. In order to reduce the seepage flow rate out of underground opening and improve the resistance of surrounding rocks to seepage failure，a seepage control system including grouting curtains，drainage hole arrays and drainage tunnels is designed. This study focuses on the performance assessment and optimization design of the seepage control system for YagenⅡunderground hydropower system. The numerical method combining a substructure technique，the variational inequality formulation of Signorini’s type and an adaptive penalized Heaviside function(short for SVA method)is adopted. Numerical results demonstrate that：the seepage control system is properly designed and can effectively lower the phreatic surface in the surrounding rocks；the upper part of the drainage system has little effect on controlling the leakage from reservoir，and hence the spacing of the drainage hole arrays at higher elevations can be enlarged；and the auxiliary drainage hole arrays play an important role in both reducing the leakage into the underground caverns and the pore water pressure in the surrounding rocks and improving the stability of the surrounding rocks.

underground powerhouse；seepage control；drainage hole array；SVA method；elaborate simulation；YagenⅡhydropower station

TV61

：A

：0493-2137(2014)09-0823-06

10.11784/tdxbz201307024

2013-07-10；

2013-09-26.

国家优秀青年科学基金资助项目(51222903)；国家自然科学基金资助项目(51079107，51179136).

郑华康（1990— ），男，博士研究生，zhengzeci@whu.edu.cn.

陈益峰，csyfchen@whu.edu.cn.

时间：2014-01-14.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20140114.1016.011.html.