句容抽水蓄能电站渗控效果数值模拟与评价

蒋海云　徐剑飞　刘斯宏　周　斌　廖　洁

(1. 江苏句容抽水蓄能有限公司， 江苏 句容　212400； 2. 河海大学 水利水电学院， 南京　210098)



句容抽水蓄能电站渗控效果数值模拟与评价

蒋海云1徐剑飞1刘斯宏2周斌2廖洁2

(1. 江苏句容抽水蓄能有限公司， 江苏 句容212400； 2. 河海大学 水利水电学院， 南京210098)

句容抽水蓄能电站地质条件复杂，为分析现拟的渗控措施能否达到预期效果，本文建立了句容抽水蓄能电站三维整体渗流场有限元模型，采用排水孔二次剖分技术和改进的结点虚流量法相结合的方式，实现了对排水孔幕等复杂渗控措施的精细模拟，分析了设计工况下电站的整体渗流特性．结果表明，现拟的渗控措施对库区及地下厂房洞室群渗流场起到了较好的控制作用．

结点虚流量法；排水孔幕；句容抽水蓄能电站；渗流特性

1　工程概况

句容抽水蓄能电站位于江苏省句容市东昌镇仑山区句容林场附近，总装机容量1 350 MW(6台单机容量为225 MW)，是一座日调节纯抽水蓄能电站．电站地处江苏电力负荷中心，距离溧水电网500 kV主环网51 km，上网条件十分便利，建成后可作为整个江苏省电网主要调峰电源，地理位置优越．电站为一等大(I)型工程，上水库主副坝、输水系统、地下厂房、下水库大坝及泄洪建筑物等主要永久性建筑物为一级建筑物，次要永久性建筑物按三级建筑物设计，安全要求等级高．工程区由西往东跨越仑山主峰，上水库利用仑山主峰西南侧沟谷挖填而成，总库容1 703 m3；下水库位于仑山水库库尾，在姊妹桥筑坝形成，并设置溢洪道和泄放孔，总库容1 676万m3．输水系统和地下厂房位于仑山主峰的山体内，总长1 368.3～1 403.4 m(上库进/出水口至下库进/出水口)．工程区布置如图1所示．

图1　工程区布置图

上水库防渗设计采用库岸钢筋混凝土面板与库底土工膜防渗相结合的方式，土工膜上部采用土工布保护，并用砂袋压敷，采用连接板与大坝防渗面板联接，联接处采用角钢将其固定，在土工膜与岸坡防渗面板联接处设排水观测廊道，排水观测廊道沿库岸周边布置，沿程设置排水管与岸坡及库底排水层相通，以排除库岸和库底来的渗漏水．目前厂区渗控设计主要依据“堵排结合，堵排并重”思想，这样可在减少外部渗水的同时及时降低厂房的内水压力，达到保证洞室群围岩稳定的目的[1-2]．句容抽水蓄能电站厂区渗控设计也不例外，一方面在外围设计了全封闭式的混凝土防渗帷幕，阻隔地下水侵入厂房；另一方面在钢岔管和环绕厂区依次布置了顶层、上层、中层和下层四层排水廊道，相邻两层廊道间还设置了密集排水孔幕．除此以外，为了充分发挥排水降压功能，主厂房上层排水廊道内设置有30°的“人”字型倾向洞顶的排水孔，工程经验表明此类排水孔可有效截断并排走由于降雨入渗等因素引起的厂区顶部入渗水流[3]．句容抽水蓄能电站地下厂房区域初拟防渗排水布置剖面及平面布置示意图如图2所示．

图2　地下厂房区域防渗布置示意图

现阶段，国内外对于抽水蓄能电站三维整体(即“上水库-输水系统-厂房系统-下水库”)渗流计算的研究相对较少，大部分学者通常是利用商业软件或自编程序对抽蓄系统的某一部分区域进行研究，例如：亢景付[4]利用ANSYS软件建立了西龙池抽水蓄能电站蜗壳结构三维有限元模型、曾静[5]利用FLAC3D软件建立了佛子岭抽水蓄能电站地下厂房三维有限元模型、严飞[6]基于Auto CAD二次开发技术提出控制断面节点对连法，并以此建立了江苏宜兴抽水蓄能电站上水库渗流分析模型、文洪[7]建立了浙江天荒坪抽水蓄能电站地下厂房结构等．近年来，也有少数学者提出了整体渗流计算模型，例如：梅一[8]利用水文地质软件GMS分析了蒲石河抽水蓄能电站天然地下水流运动、刘昌军[9]采用中国水利科学研究院研发的渗流计算软件GWSS分析了山东文登抽水蓄能电站三维整体渗流场．但是以上整体模型在建模过程中对实际问题处理得过分简化或根本未考虑上水库各坝体结构、地下厂房抽排措施等渗控关键因素，致使总体网格相对粗糙，从而降低了计算精度．

从数值计算理论角度考虑，抽水蓄能工程渗流计算难点主要在于自由面求解和排水孔幕的精细模拟．多孔介质自由面数值计算历来是工程研究热点，主要有剩余流量法、初流量法、调整渗透系数法、结点虚流量法以及在此基础的各类改进方法等．这些方法都力图使自由面饱和区域(湿区、实区)流量贡献远大于非饱和区域(干区、虚区)，从而逼近真实解；排水孔幕的数值模拟则经历了从单元模拟到边界模拟的历程，相比而言，边界模拟更能直接反应排水点处的渗透特点，而且能有效克服排水单元渗透不收敛的缺陷．本文在总结前人研究工作基础上采用文献[11]提出的控制断面结点对接技术，建立了句容抽水蓄能电站三维整体渗流模型，并采用改进后的结点虚流量法和排水孔边界直接模拟法对整体渗流场进行了数值模拟．

2　计算理论

2.1结点虚流量法

多孔介质的稳定饱和非饱和渗流问题PDE方程为：

(1)

图3　无压稳定渗流数学模型示意

常规土坝渗流边图条件为：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，kij为渗透系数张量；H为已知水头函数；ni为边界面外法线方向余弦，i=1，2，3；Γ1、Γ2、Γ3、Γ4依次为已知水头边界、流量边界、饱和逸出面边界、渗流自由面边界，qn为法向流量．

由于无压渗流问题中自由面和溢出点位置未定，需要通过迭代才能确定，故根据以上提及的PDE方程和边界条件，利用变分原理将其离散为相应的非线性有限元支配方程，称为改进的结点虚流量法[10]：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，K，h和Q分别为总体计算域Ω=Ωw+Ωd的渗透矩阵、单元结点的水头矩阵以及等效流量列阵；ΔQ为由于自由面穿越过渡单元虚域部分产生的流量列阵，结点虚流量迭代本质就在于逐步修正该项贡献进而趋近真实解；Q2是上游已知水头结点对相关联过渡单元虚部分的流量贡献．理论证明这部分流量很小(因为与已知水头结点相交的单元很少)，所以一般将其忽略；Nn为单元的形函数；Fu(hc)为截止负压的罚Heaviside函数；ε1、ε2为与网格相关的两个罚参数．

2.2排水孔幕的数值模拟

排水孔根据其排水特性可分为逸流型(顶排型)和溢流型(底排型)两种[1]：只有当整个逸流型排水孔孔底处在自由面以上时才失效，当其有效时，自由面以下孔壁可作为逸出面边界；溢流型排水孔则是根据“水满则溢”原理，当且仅当顶部渗水漫过排水孔孔顶时才会有效，此时所有孔壁结点水头均等于孔顶高程，二者水力数学模型分别如下：

(10)

(11)

式中，ΓE为逸流型处于渗流实域的边界，Γo为溢流型排水孔处于渗流实域的边界；z为边界结点的位置高程；ho为溢流型排水孔的孔顶高程．

排水孔边界直接模拟法根据排水孔类型，将孔壁结点以相应已知水头边界的形式装配进修正的结点虚流量法中，依据每步迭代结果判别排水孔工作状态，更改水头边界，为下一步迭代做准备，具体过程如下：初始迭代时将所有溢流型排水孔孔壁结点设为孔顶高程(即假设所有溢流型排水孔均有效工作)，在后期的迭代中逐次计算每串排水孔所有结点流量之和，若流量之和为负，则该排水孔失效，孔壁所有结点自动转为内部网格结点；而逸流型排水孔在初次迭代时将所有水头设为相应位置高程，在后期迭代过程中逐次计算每串排水孔上的每个结点流量，若流量为负，该结点自动转为内部网格结点．所有排水孔循环完毕后重新整理排水孔边界集，进入下一步迭代，循环往复直至没有新增失效排水孔为止．

3　计算结果与分析

3.1计算模型及材料参数

抽水蓄能电站工程竣工后，上下水库、库底基础、地下厂房洞室群及坝体两岸岩体内的地下水相互作用，形成一个整体的三维渗流场，因此只有建立整体计算模型，才能真实地反映其工程渗流特性[11-12]．本文借鉴文献[11]提出的三维整体有限元前处理方法，建立了句容抽水蓄能电站三维整体模型．模型东侧截至下水库不同蓄水位及部分山体，西侧囊括上水库及上水库西侧库岸西侧山体，底部边界至标准高程零点向下50 m，顶部为山体实际高程．最终生成的计算网格共4 845 397个单元和532 373个结点，经过排水孔子结构二次剖分后得到一类排水孔(逸流型)1 033个，二类排水孔(溢流型)481个．本三维模型对上/下库主副坝、库底全封闭式防渗结构、地下厂房洞室群及其防渗排水系统、F113等15条关键断层进行了较为全面细致的模拟，整体网格及关键部位网格如图4所示．

图4　句容抽水蓄能电站有限元模型

根据现有水文地质资料，确定模型边界条件如下：上/下库盆内表面结点根据不同工况确定水位(如设计工况下上/下库分别为267 m/65 m)；上水库北部地势较高处边界取仑山分水岭钻孔地下水位值，若分水岭处缺乏钻孔资料，则根据周边钻孔水位埋深推算；工程区南部为句容盆地，为典型河床相和河漫滩相，因此模型南侧边界根据钻孔实际埋深取值；模型东西两侧及水平底部均设为隔水边界；排水孔、排水廊道初始值均处理为逸出边界，岩溶裂隙发育带取为可能逸出边界．

本文参照实测水文地质资料、已有可研阶段报告及同类型工程选取材料渗透系数，见表1．

表1　计算域各材料渗透系数

3.2计算结果分析

厂房洞室群周边排水廊道、排水孔幕及防渗帷幕的布置至关重要，长效而经济的布置方案是地下厂房系统长期安全运行的有力保障．本文重点研究现拟渗控方案是否满足渗控要求，故计算分析以设计工况结果为准，设计工况下所有防渗排水设施均正常工作，上/下水库分为正常蓄水位和死水位，断层各向异性比1∶100．

3.2.1整体渗流场水头分布

设计工况下总体水头等值线分布云图以及Z=26.00 m高程处整体计算域渗流场水头等值线图，如图5所示．红色线条为Z=26.00 m剖面自由面曲线．从图中可以看出：三维整体渗流场的水头分布表现出合理的规律性，等值线走向、形态和密集程度都较准确地反映了相应区域防渗或排水措施的渗流特性．在图5(a)，上水库内显示深红色，水头较高；地下厂房区域为深蓝色，水头较低．渗流总体趋势表现为渗透水流分别由上/下水库向厂区汇集，在厂区渗控措施的作用下水头达到最低．具体说来，由于上水库较高的地势及库水的作用，水头在整体渗流场中相对较高，并以自身为中心向四周降低；地下厂房位置水头等值线密集，且水头降幅较大，这是由于厂区周围渗控措施起到了较好的防渗排水作用；下水库地下水位低于东部山体水头，表明下库库水补给除降雨和上库补给以外还有东部山体，有利于下水库正常蓄水．

图5　句容抽水蓄能电站整体渗流场分布(单位：m)

3.2.2地下厂房渗流特性分析

设计工况下厂房横纵剖面水头等值线分布图如图6所示．从图中不难发现：在远离厂房区域，自由面由两边向厂房处逐渐下降，且水头等值线分布稀疏，水头降落平缓；在地下厂房附近，三大洞室的开挖，引起附近山体水向厂区汇集．受引水竖井前方的导水性断层F113影响，自由面发生跌落，在引水支管排水廊道竖向排水孔幕的进一步作用下，自由面继续下降，几乎与下层排水廊道底部齐平．厂房下游汇集的地下水与防渗帷幕相遇后急剧下降，近乎垂直，同时下层排水廊道被淹没．由此可见，设计工况下顶层、上层和中层排水廊道以及期间的排水孔幕均未发挥作用，仅有下层排水廊道和底部溢流型排水孔起到了降压作用，累计排水量分别为15.16 m3/h和5.29 m3/h．

图6　厂房横纵剖面水头等值线分布图(单位：m)

值得注意的是，尽管排水廊道和排水孔幕具有较强的导渗作用，但是由于排水设施相对较小的尺寸及降幅较大的水头，这些位置周边岩体的渗透坡降会很大，实际设计施工时应注意做好防范措施(如设置围岩反滤等)．由于地下水绕渗，厂房底部受扬压力的作用，在两侧各出现一个逸出点，高程分别为6.52 m和9.03 m，此逸出点高程低于厂房内发电机组的安装高程20.00 m，故而不会影响发电机组的正常运行．此外厂房下层排水廊道基本处于自由面以下或者被自由面贴壁流动，建议实际施工中，及时排走下层排水廊道内的积水，并浇筑一定厚度的抗渗混凝土于厂房底板以提高其抗渗性能，将绕渗的地下水阻挡在外，保证厂区干燥．

3.2.3上水库库岸渗流特性分析

设计工况下上水库库岸剖面水头等值线分布图如图7所示．总体来说，自由面形态表现为西侧山体地下水缓慢向下水库流动、北侧山体向南部边界缓慢流动．由于上水库和厂房下游区域岩溶发育，在数值计算中采用放大渗透系数的方式来处理，故这些区域的地下水相对输水管道区域沿程水头损失较小、自由面降幅相对较低、等水头线分布也更稀疏．此外，地下水流过上水库后受到厂区排水孔幕以及导水断层的影响，降幅开始增大，尤其是水头值为60 m处自由面跌至最低．纵观两图上水库区域水头等值线分布可以看出，上水库四周地下水位较低，均低于正常蓄水位高程267.00 m，不能补给库水即上库库水只能依靠天然降水与下水库抽水补给，因此需严格保证上水库防渗措施的施工质量，减少库水外渗．

图7　上水库库岸剖面水头等值线分布图(单位：m)

3.2.4下水库库岸渗流特性分析

在设计工况下水库库岸剖面水头等值线分布如图8所示，自由面形态表现为：北库岸山体内地下水自由面由高地势处缓慢流向库盆(表面出渗点略高于下库死水位65 m)，呈补给库水的状态．渗水经过南库岸面板后，出现一个微小的水头跌落过程，而后贴着面板下方廊道流动．值得注意的是，尽管面板背水面有来自于上水库底部地下水的侵入，但地下水在面板底部排水廊道和排水孔的限制下，自由面始终保持较低的状态．

图8　下水库南库岸剖面库盆区域水头等值线分布图(单位：m)

4　计算结果验证

为了验证三维整体渗流场计算结果的合理性，本文利用上水库前期地勘保留的28个长观孔资料与竣工期计算值进行了对比分析，对比结果见表2．

表2　上水库各钻孔地下水位实测值与计算值对比表

从表中可以看出，数值模拟的计算结果与长观孔实测值总体上拟合程度较好，在所统计的28个钻孔中，除了ZK4、ZK9和ZK83这3个钻的反演值与观测值稍有误差，其余25个计算值均与观测值相近，占89.3%．除去上述3个钻孔，计算余下钻孔的标准差

求得标准差为4.52，差值的离散性较小，表明结点虚流量法求解自由面与排水孔边界直接模拟法的结合能较好地适用于抽水蓄能三维整体渗流场计算．为了能够更加直观地反映计算水位值与观测水位值之间的差距，通过表2绘制了两者的对比，如图9所示．

图9　上库盆水位计算值与实测平均值对比图

5　结　语

本文对句容抽水蓄能电站进行了三维整体渗流场有限元计算，对比分析了工程主要建筑物的计算结果，得出以下结论：

1)拟设计的防渗排水措施能够达到预期效果，上库盆、地下厂房以及下库盆这三大区域的水流得到了较好的控制．地下厂房区域渗控设计遵循“堵排结合，堵排并重”原则，防渗排水措施布置严密，可以有效地截堵、排泄厂房四周围岩内外水入渗，确保厂区绝大部分岩体都处在浸润线以上．

2)在上库盆区域岩溶较为发育且库盆四周地下水位均低于正常蓄水位等不利水文地质条件下，上库盆库底土工膜和库岸混凝土面板形成全封闭式防渗结构极大的减弱了库内蓄水与周围地下水之间的水力联系，有效减小了库盆渗漏量，从而保证库盆内有充足的水量来维持抽水蓄能电站正常运行．

3)厂房底部存在岩体水流绕渗现象，厂房上、下游侧会各出现一个不超过安全位置的自由逸出点，因此厂房实际施工时底板需要浇筑混凝土，从而与外围防渗帷幕形成一个封闭的防渗体系以截断绕渗水流．

[1]刘昌军，王小卫，徐甲存，等．文登抽水蓄能电站地下洞室群复杂渗流场的数值模拟分析[J]．长江科学院院报，2013，04：73-78．

[2]吴世勇．抽水蓄能电站工程区复杂渗流场数值模拟分析及渗控设计方法研究[D]．南京：河海大学硕士学位论文，2007(6)：99-101．

[3]王珊，姜忠见，任涵璐，等．洪屏抽水蓄能电站地下厂房洞室群渗控措施效果评价[J]．水电能源科学，2013(1)：111-114．

[4]亢景付，孙少杰．西龙池抽水蓄能电站蜗壳结构非线性有限元分析[J]．水力发电学报，2007，26(5)：42-46．

[5]曾静，盛谦，廖红建，等．佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房施工开挖过程的FLAC3D数值模拟[J]．岩土力学，2006，27(4)：637-642．

[6]严飞，詹美礼，速宝玉．AutoCAD中VBA语言在渗流有限元前处理中的应用[J]．水利水电科技进展，2003，23(1)：28-29．

[7]文洪，朱以文．天荒坪电站地下厂房结构动静力分析及设计[J]．水力发电，1998(8)：28-31．

[8]梅一，吴吉春．基于FEMWATER的东北某地抽水蓄能电站渗流模型研究[J]．水文地质工程地质，2008，35(6)：1-5．

[9]刘昌军，高立东，丁留谦，等．文登抽水蓄能电站工程区地下水三维非稳定渗流场的数值模拟[J]．中国农村水利水电，2012(4)：107-112．

[10] 周斌，刘斯宏，姜忠见，等．洪屏抽水蓄能电站渗控效果数值模拟与评价[J]．水力发电学报，2015(5)：131-139．

[11] 周斌，刘斯宏，姜忠见，等．抽水蓄能电站三维整体渗流场有限元建模技术[J]．水力发电，2013，39(7)：20-23．

[12] 任涵璐，刘斯宏，姜忠见，等．洪屏抽水蓄能电站上水库库盆三维复杂渗流场分析[J]．水力发电，2012，12：19-21．

[责任编辑王康平]

Numerical Simulation and Assessment of Seepage Control Effects of Jurong Pumped Storage Power Station

Jiang Haiyun1Xu Jianfei1Liu Sihong2Zhou Bin2Liao Jie2

(1. Jiangsu Jurong Pumped Storage Co., Ltd., Jurong 212400, China； 2. College of Water Conservancy & Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098， China)

The geological condition of Jurong Pumped Storage Power Station is complex. In order to evaluate its seepage control effects, the seepage characteristics under designed condition are analyzed by using an analytical method which contains the secondary subdivision technology of drain holes and the amended node virtual flow method; and it simulates the complex seepage control measures such as drainage holes. The results show that the intended seepage control measures are playing a controlling role on seepage field of reservoir region and underground powerhouse.

node virtual flow method；drainage holes；Jurong Pumped Storage Station；characteristics of seepage

2016-04-10

蒋海云(1963-)，男，高级工程师，主要研究方向为水电工程建设管理．E-mail：xxuummaa@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.004

TV223.4

A

1672-948X(2016)04-0017-06