黑麋峰抽水蓄能电站岔管区渗控效果评价

陈 阳，周志芳，黄 勇，顾正聪

（河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

0 引 言

在水利水电工程中，引水发电系统建筑物均深埋在地下水位线以下[1]，特别是抽水蓄能电站，其厂房和引水管道埋深较大，可达300～500 m的水头差，因此在电站运行期和水道放空检修期地下输水隧洞会承受较大的外水压力从而造成渗漏等问题，隧洞内高压力水头常会造成混凝土衬砌开裂，进而导致高压内水外渗，若高压隧洞的内水外渗和外水压力水头不能有效控制，势必危及地下洞室和山体的稳定[2]。渗流控制是大型水电工程中的一大主要难题。渗流控制情况直接关系到工程的安全和费用，渗流控制存在缺陷和不足是造成水电工程效益损失的主要原因，因此研究大埋深地下洞室渗控问题具有非常重要的意义。陈益峰[3]提出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条件、边界条件和计算参数的制约。当前对渗流场研究的主要方法有:解析法、水力学法、图解法等近似计算方法、数值模拟方法以及室内的模型实验法[4]。本文以黑麋峰抽水蓄能电站为例，采用有限单元法，针对高压岔管区的Ⅲ、Ⅳ类围岩地质条件，模拟了电站正常运行期不同设计方案下岔管区地下水渗漏量，并给出了合理的渗流控制措施，为地下洞室渗控提供了理论依据。

1 数学模型

排水疏干和渗流控制是确保地下电站厂房和地下采矿等工程围岩稳定和安全运营的重要工程措施之一，常用的渗控措施包括防渗帷幕、排水洞和排水孔幕等，其渗控效应的准确评价对于优化工程设计、确保工程安全和节省工程投资具有重要意义[5]。二维非均质各向同性的稳定流控制方程[6]为:

式中，K为渗透系数；H为水头；H0、H1分别为已知的某时刻对应水头；Ω为研究区域；Γ1、Γ2分别为研究区域的第一类和第二类边界条件。采用有限元对式 （1）进行离散，得:

式中，[G]为总导水矩阵；[H]为水头矩阵；[F]为已知流量矩阵。

2 计算方案及结果分析

2.1 研究区域的选取

图1 研究区域及岔支管分布

黑麋峰抽水蓄能电站位于望城县桥驿镇境内，紧邻湖南电网负荷中心长株潭地区，距长沙市区仅25 km，距湘潭、株洲不足60 km。电站上水库位于黑麋峰西侧山顶，建有两座主坝和两座副坝，正常蓄水位400 m，总库容996.50万m3；下水库位于杨桥东侧山麓，正常蓄水位103.7 m，总库容959.32万m3。本文以高压岔管区的1号引水支管纵平面为研究对象，向上游延伸至1号引水系统固结灌浆始端20 m处，向下游延伸至厂房后环向帷幕后20 m，总长330 m （见图1）。纵向研究区的介于-15～200 m高程，共涉及两个透水带，即弱透水带 （厚约200 m）和微透水带 （厚约15 m）。

2.2 初始、边界条件及渗透参数

初始、边界条件以整个电站区的初始自由面渗流场 （见图2）。渗透参数的取值分为2种不同情况:①采用洞周围岩防渗圈方案时，共涉及6种不同材料分区，分别用K1～K6表示，即钢筋混凝土衬砌、围岩灌浆圈、钢板衬砌、弱透水层、微透水层和钢管端部环形帷幕，渗透系数分别为K1=1×10-7cm/s、K2=6.0×10-7cm/s、K3=1×10-13cm/s、K4=5×10-5cm/s、K5=2×10-5cm/s、K6=1×10-5cm/s。 ②采用纵向帷幕方案时，帷幕的深度可以变化，考虑了2种帷幕深度，即支管以上帷幕的深度分别为45、100 m，加上支管以下15 m，则整个竖向帷幕的深度分别为60、115 m。研究区采用Geostudio-SEEP模块进行三角形单元离散，共剖分为15959个节点，30885个单元。

图2 初始流场 （单位:m）

2.3 评价指标

帷幕防渗性能的评价指标主要是排水廊道的排水量和引水支管的渗漏量，主要考虑岔管附近的排水廊道，按编号记为1～9（见图1b）。由于厂房前后帷幕之间采用钢板衬砌，几乎不透水，其渗漏量可以忽略不计，厂房帷幕后压力较小，可以不考虑支管的渗漏量，因此重点在厂房帷幕之前的引水支管部分，选取上下2个断面，即8号、9号断面的渗漏量。

为了减小评价误差，选用排水廊道断面的排水量、渗漏量的相对增量 （无量纲）来探讨帷幕防渗性能评价。假定采用环向帷幕方案计算的排水廊道排水量和隧洞的渗漏量为QH，用纵向帷幕方案计算的排水廊道排水量和隧洞的渗漏量为QZ，相对增量用ΔQ表示，则

表1 排水廊道渗漏量值m3/d

若ΔQ＞0，则表示采用纵向帷幕方案时廊道的排水量、支管的渗漏量比采用环向帷幕方案时的渗漏量要大；反之，则比采用环向帷幕方案时要小。

2.4 计算方案

本文研究黑麋峰抽水蓄能电站在水库蓄水、电站正常运行的工况下，高压岔管区设置不同帷幕的渗漏情况。

（1）方案一。只考虑洞周环向帷幕，不考虑厂房前的纵向帷幕。

（2）方案二。不考虑洞周环向帷幕，只考虑支管以上长45 m的纵向帷幕。

（3）方案三。不考虑洞周环向帷幕，只考虑支管以上长100 m的纵向帷幕。

（4）方案四。综合考虑洞周环向帷幕及支管以上长45 m的纵向帷幕。

2.5 渗漏量结果分析

通过Geostudio-SEEP模块进行9个排水廊道的渗漏量计算，结果见表1。用ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3分别表示方案二、三、四相对于方案一的渗漏增量，结果见图3。从表1和图3可知，方案一、四的渗漏量均低于方案二、三，说明在洞周设置环向帷幕可一定程度减少排水廊道的渗漏量；ΔQ3＜0可知方案四的渗漏量小于方案一，但增量仅为4～33%，说明支管上设置纵向帷幕的防渗效果不甚明显；除8号排水廊道外，其他廊道ΔQ2>ΔQ3，说明支管上的纵向帷幕从45 m加长至100 m可对渗漏量有一定控制作用，但是ΔQ3仅比ΔQ2下降了7～25%，故加长纵向帷幕的防渗效果不明显。

图3 各断面渗漏量相对增量的变化情况

对高压岔管区的1号引水支管采用环向帷幕方案时，围岩采用劈裂灌浆，渗透性较小，即使在电站运行期 （隧洞内充水），钢筋混凝土开裂情况下（渗透系数比开裂前增加约10倍），也能够有效地减小隧洞内的内水外渗量，避免大量的水量绕过环向帷幕流向岔管和厂房各排水廊道。根据黑麋峰抽水蓄能电站区2次充水试验时廊道排水量的实测数据显示，廊道最大排水量不超过2 L/min，表明在引水支管洞周采用高压劈裂灌浆可以有效阻止内水外渗，即采用环向帷幕方案以及对围岩灌浆圈进行劈裂灌浆的防渗效果显著。而由于在支管上设置纵向帷幕的防渗效果不显著，且纵向帷幕长度对防渗效果影响不大，故考虑水库的运行效益，黑麋峰水电站采用的即是方案一环向帷幕来达到较好的防渗效果。

3 结 论

对引水隧洞的洞周围岩进行帷幕灌浆处理，能减小围岩的渗透系数，提高洞周围岩的完整性，从而减小外水内渗渗漏量，提高防渗性能。当引水隧洞支岔管若只设置环向帷幕时，洞室和排水廊道的渗漏量为544.55 m3/d，而只设置纵向帷幕时的渗漏量为1086.94 m3/d，表明环向帷幕防渗效果远优于纵向帷幕；若在环向帷幕的基础上考虑纵向帷幕时，渗漏量减小约90.6 m3/d，若纵向帷幕长度从45 m增加到100 m，渗漏量减小了74.45 m3/d，表明在洞室之间的支管上设置纵向帷幕的防渗效果不显著。

［1］杨磊，沈振中，邵潮鑫，等.溪古水电站消力池边坡降雨条件下渗流场三维有限元分析[J].水电能源科学，2013（9）:119-123.

［2］刘昌军，丁留谦，高立东，等.文登市抽水蓄能电站三维渗流场的有限元分析[J].水电能源科学，2011（7）:57-59.

［3］陈益峰，周创兵，胡冉，等.大型水电工程渗流分析的若干关键问题研究[J].岩土工程学报，2010（9）:1449-1454.

［4］王会云.饱和渗流作用下边坡稳定性分析[J].西部探矿工程，2013（5）: 28-30.

［5］陈益峰，周创兵，毛新莹，等.水布垭地下厂房围岩渗控效应数值模拟与评价[J].岩石力学与工程学报，2010（2）:308-318.

［6］顾慰慈.渗流计算原理及应用[M].北京:中国建材工业出版社，2000.

［7］岑威钧,朱岳明.平原地区大型水闸闸基三维渗流场特性分析[J].水力发电，2006，32（8）:34-37.