江西省洪屏抽水蓄能电站输水发电系统渗流场分析及应用

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

江西省洪屏抽水蓄能电站输水发电系统渗流场分析及应用

姚敏杰，高雅芬

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

抽水蓄能电站输水发电系统深埋于地下，结合洪屏工程前期上、下水库等地表部位的岩体勘测和地下水位观测资料，采用三维整体渗流场有限元计算方法，对输水发电系统的渗流场进行模拟，为地下厂房渗漏排水、输水系统衬砌等渗控方案设计和优化提供理论依据。

抽水蓄能；输水发电系统；渗流场

1 问题的提出

抽水蓄能电站建筑物一般包括上水库、输水发电系统及下水库，其主要利用上、下水库之间的自然高差获取发电水头，由于机组吸出高度较大，多采用埋藏式输水系统及地下厂房开发方式。上水库往往建于山顶或沟源部位，周边分水比较单薄、岩体渗透性较强，防渗要求高；输水发电系统深埋在山体中，岩体、断层空间分布复杂，洞室群数量众多，为确保机电运行的安全，采用洞衬、排水、帷幕等多种渗控措施，从而形成复杂的渗流场。

由于电站工程区范围较大，输水发电系统深埋于地下，前期地质勘察进行的钻孔、探洞数量有限且基本位于上、下水库等地表部位，需要结合上述部位岩体勘测及地下水位观测资料，采用三维整体渗流场有限元计算方法，对输水发电系统的渗流场进行模拟，为地下厂房渗漏排水、输水系统衬砌等渗控方案设计和优化提供理论依据。

2 工程概况

2.1 工程简介

江西洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内，距南昌65 km。电站为周调节纯抽水蓄能电站，一期装机容量1 200 MW。电站建成后，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。枢纽建筑主要包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群和地面开关站等。枢纽平面布置见图1。

图1 枢纽平面布置图

上水库位于三爪仑乡塘里村的洪屏自然村，库区为一高山盆地，西侧、南侧及西南侧各有一垭口，筑坝后可形成上水库。上水库正常蓄水位733.00 m，坝顶高程738.90 m。下水库位于潦河支流北河中上游，采用碾压混凝土重力坝坝型。下水库正常蓄水位181.00 m，坝顶高程185.50 m。

输水系统位于上水库南库岸侧，由上库进出水口、引水隧洞、高压管道、尾水隧洞、下库进出水口等组成，总长约为2 622.40 m。引水系统采用两洞四机竖井式布置，自上竖井开始采用钢板衬砌，尾水系统采用两洞四机“一坡到顶”布置。

地下厂房位于输水系统中部，洞室群包括：主副厂房、主变洞、尾水闸门洞、母线洞、进厂交通洞、通风兼安全洞等。地下厂房周边设置了4层排水廊道，分别为顶层、上层、中层、下层，另外结合前期探洞，在顶层排水廊道上部再设置1层高层排水廊道。

2.2 水文地质条件

上水库库盆区断层较发育，南库岸地段存在向地下厂房渗漏的贯通性断层或断裂网络，渗透性较大，库盆分布有F132、F44、F43、F136等主要断层。南库岸共布置了14个地下水位长期观测孔，大部分观测到的最低水位均低于设计正常蓄水位，并在输水系统进、出水口所在山脊的钻孔ZK1处形成地下水位深槽（见图2），存在库岸渗漏问题。

图2 南库岸特征地下水位分布示意图

输水发电系统沿线山体雄厚，基岩为单一的变质含砾中粗砂岩，揭露的断层67条，Ⅰ级和Ⅱ级结构面有F140、F10、F11、F54、F55等主要断层，宽度大于0.50 m，其余断层宽度一般小于0.50 m，属Ⅲ ～ Ⅳ级结构面。输水系统水文地质条件较复杂，NE和NNE向断层发育，亦有NW向断层，断层延伸长，渗透性较好，尤其在地表浅部渗透性更好，断层之间切割、沟通，与上水库南库岸有较密切的水力联系。

2.3 工程处理措施

根据工程的水文地质条件，上水库库盆防渗根据其渗透特性采用主防渗体系+辅助防渗体系：主防渗体系以大坝、库岸面板和坝基帷幕灌浆、库岸帷幕灌浆组成，形成封闭体系；辅助防渗体系以库底土工膜防渗、库底黏土铺盖以及相应的齿墙和固结灌浆组成。输水系统上平洞采用钢筋混凝土衬砌，上竖井上弯段起至尾水支管末端采用钢板衬砌。

3 渗流场建模

3.1 计算模型及材料参数

输水发电系统三维渗流场计算区域主要包括上水库、输水系统、地下厂房及山体、主要断层等，计算范围见图3。其中上水库包括大坝、库盆及防渗体系，输水系统包括衬砌管道、排水孔等；网格结点总数545 430，单元总数513 029，排水孔总数694个；对区域内较大的15条断层采用复合单元法进行了模拟。

图3 渗流模型边界图

本次计算中所涉及的各种材料的渗透系数根据水文地质资料和参照类似工程确定（见表1、表2）。

表1 材料渗透系数表

表2 关键断层渗透系数表

3.2 边界条件

计算模型边界条件为：①四周边界地下水位根据工程区地下水位埋深按静水压力添加，高于库水位的地方为渗流可能逸出面；模型底边界视为隔水边界；大坝下游侧视为渗流可能逸出面。②排水孔为水位等于其位置高程的逸流型排水孔边界。③输水系统充水时采用已知水头边界；混凝土衬砌的辅助洞室采用不透水边界；喷锚支护的洞室采用可能逸出边界。

4 计算分析

4.1 上水库南库岸至厂房系统渗流特性

上水库南库岸断层发育，存在向地下厂房渗漏的贯通性断层，渗透性较大，在输水系统进、出水口（上水库南库岸处）有地下水位深槽，南库岸布置有帷幕灌浆和钢筋混凝土面板防渗。上水库正常蓄水位水头等值线分布见图4。从图4中可以发现，南岸库断面水头等值线和自由面的规律：①自由面在库盆蓄水位高程处出露，而后贴着南库岸面板和帷幕向下游厂房延伸，向地下厂房渗透过程中不断降低，到达厂房系统前沿时受排水廊道影响，自由面迅速跌落，过厂区后受下游水位影响，自由面开始上扬，最终出露于下游表面；②大量水头等值线在上水库南库岸帷幕灌浆处聚集，经过帷幕削减，渗向下游侧的水头仅剩680.00 m，降低了40.00 m水头，防渗帷幕起到了很好的防渗作用。

图4 上水库正常蓄水位水头等值线分布图

4.2 厂房区域渗流特性

由于厂房区域布置有5层排水廊道，廊道侧布置有防渗帷幕及排水孔幕，因此上游自由面在靠近主厂房高层排水廊道处骤降，说明高层排水廊道结合屋顶型排水孔起到了很好的排水截渗作用，上游上部渗透水流几乎都进入到该层排水幕的排水孔内，进入厂房底部的水头值比较小，渗透压力得到了有效的控制（见图5）。

由于本工程基岩渗透系数为1.0 Lu，帷幕灌浆的渗透系数同样为1.0 Lu，厂房上游帷幕灌浆改变水头效果不明显。根据类似工程敏感性计算结果，当防渗帷幕与周围岩体渗透系数比值大于2个数量级以上时，帷幕才会体现较好的阻水性。

图5 厂房系统水头等值线分布图

从对厂房系统各个洞室的排水量进行计算后发现厂区排水量主要来源于进厂交通洞，其次才是排水廊道（见图6）。因此在工程施工期，因做好排水量较大的洞室。

图6 厂区主要洞室排水量图

4.3 厂区不设排水措施分析

由于地下厂房深埋于山体中，厂区结构基本位于天然地下水位线以下，故在施工开挖过程中，常出现涌水等现象。为研究上水库蓄水后对地下厂房的影响，确认排水措施的合理性，对厂区不设排水措施工况进行了计算（见图7）。由于受到上水库蓄水及地下水的影响，在未设任何排水降压措施时，自由面形态表现为：沿程自由面逐渐降低，但降低幅度有限，自由面最后出露于厂房后方山体表面。这种状态下自由面较高，山体大部分处于饱和状态，山体稳定性不强，具有安全隐患。厂区前端水头高达420.00 m，远高于厂房顶部高程，厂区将全部处于淹没状态，故对厂区安全稳定极为不利。

图7 厂房系统水头等值线分布图（不设排水措施）

4.4 引水上平洞内水外渗分析

将引水上平洞各节点水头取为上库正常蓄水位，钢管段取为不透水边界。图8 ～ 9分别为输水系统断面水头等值线分布图，当上平洞钢筋混凝土衬砌段出现内水外渗时，自由面总体形态表现为：在上平洞附近自由面隆起，随后自由面沿程逐渐降低。在靠近厂房区域的上游排水孔幕附近，自由面在该处发生骤降。因此，上平洞的内水外渗会造成上竖井、中平洞等部位的外水压力值。

图8 内水外渗工况图

图9 正常运行工况图

5 结 语

（1）上水库采用的防渗措施，总体效果较好，上水库南库岸防渗帷幕可有效降低渗向厂区的水头；地下厂房采用以堵排结合的防渗设计原则，可有效地将厂房上下游渗透来水防排在外，四周封闭性防排系统之内的厂区大部分岩体区域都处于渗流疏干区（渗流非饱和区）。

（2） 由于上水库高程高，从上游渗漏水量多，厂区排水孔对整个渗流场起到控制性作用，而厂房上游帷幕灌浆的渗透系数与基岩一致，改变水头效果不明显；下游排水孔由于下游来水水位较低，未得到充分发挥作用。

（3）针对厂区是否设排水设施的分析计算，在未设任何排水降压措施时，沿程自由面较高，山体大部分处于饱和状态，厂区前端水头高达420.00 m，远高于厂房顶部高程，对厂区安全稳定极为不利。

（4）因本工程引水上平洞采用钢筋混凝土衬砌，如施工质量不佳，衬砌段出现内水外渗时，会造成上竖井、中平洞等部位的外水压力值升高，对厂区影响不大。

[1] 任涵璐.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，2012，38(12)：19 - 21.

[2] 刘昌军.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，2013，30(4)：73 - 78.

（责任编辑 姚小槐）

Seepage Field Analysis for Water Conveyance System of Hongping Pumped-storage Power Station

YAO Min - jie，GAO Ya - fen
(Power China Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，Zhejiang，China)

The water conveyance system of pumped storage power system is in the deep underground.Using the rock mass and underground water level observation data in the upper and lower parts of Hongping Reservoir，a three -dimensional seepage fi eld fi nite element calculation method was adopted to simulate seepage fi eld of the water conveyance system.This study could provide a theoretical basis for design and optimization of underground powerhouse seepage drainage，water conveyance system lining seepage control schemes.

pumped - storage power station；water conveyance system；seepage fi eld

TV223.4

A

1008 - 701X(2017)02 - 0068 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.019

2016-09-20

姚敏杰(1983 - )，男，大学本科，高级工程师，主要从事水工结构设计工作。