非洲某水电站厂区三维渗流分析

郑海圣，徐 达，倪绍虎

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

受工程区水文地质条件、枢纽布置、洞群布置、防渗排水系统等影响，水电站地下厂房的三维渗流场分布、渗流特性十分复杂，并影响着电站工程的施工安全和正常运行。工程上常采用防渗帷幕、排水廊道、排水孔幕等作为主要的渗控处理措施，用以减少厂区渗漏量并改善厂房围岩的渗透稳定性。渗控方案的制定通常只能凭经验或工程类比得出，地下厂区渗流控制方案的合理性与可优化性往往也只能采取定性分析。在这样的背景下，精细化模拟地下厂区的三维渗流场分布、评价渗控措施的效果，对地下厂房渗控措施方案的设计与优化具有一定的工程意义［1-3］。

鉴于此，以非洲某水电站为例，采用有限元数值模拟方法，建立了厂区精细化三维有限元模型，计算分析了电站厂区的渗流场分布，并论证了厂区防渗、排水系统的合理性，为工程建设的进一步优化提供了合理的建议。

1 渗流分析理论

当忽略土和水的压缩性时，符合达西定律和质量守恒定律的稳定渗流基本方程［4-6］可表示为：

式中：h为水头；kij为渗透张量。

式（1）应满足的定解条件为：

（1）第一类边界条件：

式中：Γh为已知水头边界；φ(x、y、z) 为已知函数。

（2）第二类边界条件：

式中：Γq为已知流量边界为已知函数；n为Γq的外法向方向。

（3）自由面边界条件［7-8］：

式中：Γf为自由面边界。

（4）溢出面边界条件［9-10］：

式中：ΓS为溢出面边界。

渗流量计算采用朱岳明建议的等效节点流量法［11-13］，该法计算精度高，且程序实现相当简便，可用于计算任意过水断面的渗流量［14-16］。

以空间六面体等参单元为例，单元e中任一表面Se的等效节点列阵之和为：

式中：qse为e单元Se表面的流速。

对于任意过流断面S，假设与S关联的某一侧单元集合为E，且满足S={⋃Se/e∈E}，则通过S的渗流量Q为：

根据流量平衡方程，（7）可改写为：

式中：n为S上的结点总数；m为单元的结点总数。

2 计算模型

2.1 工程概况

电站位于非洲境内，电站正常蓄水位高程1 030 m，其拦河坝主要由两岸重力式挡水坝段、溢流坝段、冲沙底孔坝段、生态流量泄放坝段和鱼道等共计21个坝段组成，全长314.43 m。厂内安装6台单机容量为100 MW的水轮发电机组，总装机容量为600 MW。厂区洞室由主副厂房洞、主变洞、母线洞、出线竖井、电缆交通洞、进厂交通洞和通风兼安全洞等洞室组成。

工程区出露的地层主要为前寒武系（AnЄ）变质岩，以及上覆盖层的第四系残积土，岩体完整性较好。地下厂房防渗排水工程由厂区防渗帷幕、排水廊道和排水孔幕等组成。防渗帷幕布置在钢衬与混凝土衬砌交界面上游约1.5 m位置的中、下层排水廊道之间，防渗帷幕孔距3 m；排水系统遵循“以排为主，堵排结合”的设计原则，在厂房周围布置2层排水廊道，上层排水廊道内设置倾向主厂房、主变洞的“人”字形φ65的排水幕，在各层排水廊道之间布置竖向排水幕，以排泄围岩内入渗水。地下厂房防渗排水系统如图1所示。

图1 地下厂房防渗排水系统示意Fig.1 Seepage prevention and drainage system at the under⁃ground powerhouse

2.2 有限元模型

根据工程水文地质资料、枢纽布置、洞群布置方案，建立了整个厂区的三维有限元模型。模型充分考虑了厂区围岩条件及结构布置，整体三维有限元网格模型如图2所示，模型共划分网格365 148个，节点154 480个。模型计算范围为：顺引水发电系统流向取进水口距尾水隧洞约700 m，两侧垂直发电引水方向距离约650 m，模型底部至地面高程差约300 m。模型内部精细模拟了厂区的各主要洞室、厂区排水廊道、防渗帷幕、3 m间距的排水孔幕等。

图2 有限元计算模型Fig.2 FEM calculation model

2.3 计算条件

渗流分析的边界条件取值如下。

（1）外边界：上游库水淹没区按定水头边界取值，水头值为正常蓄水位1 030.0 m；下游河道及尾水隧洞按定水头边界取值，水头值为尾水位960.73 m；模型左右两侧取定水头边界，水头值根据初始渗流场计算结果插值得出，取1 029.8 m；模型底面为不透水边界；其余地表为可能溢出边界。

（2）内边界：主厂房、主变洞及排水廊道、进厂交通洞、通风兼安全洞等在施工期及运行期均按可能渗出边界考虑；引水洞在施工期为可能渗出边界，运行期按定水头边界取值，水头值为1 030.0 m；引水压力管道竖井及下平段钢衬为不透水边界；尾水调压室施工期取为可能渗出边界，运行期应按定水头边界取值。

各地层以及渗控结构的渗透系数取值为：全风化层渗透系数5×10-5cm/s，微新弱风化层渗透系数1×10-5cm/s，防渗帷幕渗透系数1×10-6cm/s。

3 计算结果分析

3.1 厂区渗流场分析

正常运行工况下的厂区三维渗流计算结果如图3所示。从图中可以看出地下洞室、防渗帷幕、排水孔幕及排水廊道等形成的空间渗控系统，排水降压作用十分显著，厂区整体渗流场压力水头等值线往中间凹陷，呈“漏斗”状，这说明地下厂房洞室群及渗控系统作为潜在溢出面存在，会使得地下水往厂区汇集，有效的防渗排水系统对保证厂区正常发电运行至关重要。

图3 厂区三维渗流计算结果云图Fig.3 Results of three dimensional seepage calculation in the powerhouse area

顺引水方向选取机组段横剖面的水头等值线如图4所示。从图中可以看出：在上游侧，渗流自由面迎水面逐渐下降，经过厂房上层排水廊道后在防渗帷幕处急剧下降，穿过主、副厂房底脚并在主、副厂房边墙处溢出，再沿着母线洞及主变洞底面溢出厂房区；在下游侧，渗流自由面在主变洞及母线洞底面溢出。从该断面可看出，主变洞处于自由面之上，不存在渗流溢出。

图4 顺引水方向横剖面等水头线图（单位：m）Fig.4 Contour map of the transverse section along the water di⁃version direction(unit:m)

垂直引水方向选取排水孔幕中心、主副厂房中心、母线洞、主变洞中心纵剖面水头等值线如图5所示。图中厂区排水孔幕中心线纵剖面压力水头等值线显示，厂区渗流自由面在两侧围岩中逐渐下降，但下降幅度相对平缓，到防渗帷幕附近时开始急剧下降，并最终从第二层排水廊道溢出；主副厂房中心线纵剖面压力水头等值线显示，厂区渗流自由面自两侧逐渐下降，从副厂房端墙墙面流入经副厂房底面流出，最终从安装场底脚处向下游溢出；母线洞、主变洞中心纵剖面水头等值线显示，厂区渗流自由面全部位于母线洞及主变洞洞底高程以下，因此整个主变洞与母线洞处于干燥状态。

由图3～5可知，厂区防渗排水系统渗控效应明显，地下厂房范围地下水形成明显的“漏斗”区，厂区中上部母线洞以上基本处于干燥或非饱和渗流状态，地下水得到有效控制；当电站正常稳定运行后，第一层“人字形”排水孔幕处于自由面以上，整个厂房中上部干燥无水。

此外，从图3～5还可看出，由于垂直于引水方向两层排水廊道之间未设排水孔幕，渗流自由面从厂区两侧围岩逐渐向厂区渗入，整体自由面水平高于顺引水方向，虽然仍未超过母线洞及主变洞底板高程，但可能从洞室两头端墙下部集中溢水，建议在垂直于引水方向两层排水廊道之间增设排水孔幕，形成完全封闭的排水孔幕。

图5 垂直引水方向各典型中心线纵剖面等水头线图Fig.5 Contour maps of the longitudinal sections on typical center lines in the vertical water diversion direction

3.2 厂区渗漏量计算

为评价厂区渗控措施的效果，分析比较各排水廊道及排水孔幕的减渗作用，对流入两层排水廊道、排水孔幕及主要洞室的渗漏量进行统计，如表1所示。

表1 各洞室的渗漏量统计Table 1 Statistics of the seepage in each cavern

从表1统计的渗漏量可看出：

（1）第一层排水孔幕的渗漏量为0，位于自由面以上的干区；第二层排水孔幕的渗漏量为42.07 m3/d，主要是因为该层孔幕之前的防渗帷幕起到了有效的截渗作用，降低了帷幕的渗漏量；

（2）第一层排水廊道的渗漏量为294.05 m3/d，远小于第二层排水廊道的2 763.99 m3/d，这也从数值上论证了渗流自由面受防渗排水系统作用，渗漏主要从第二层排水廊道溢出，应该注意该层廊道的积水抽排；

（3）主副厂房、主变洞、母线洞整体的渗漏量为761.36 m3/d，且主要为主副厂房的贡献量，母线洞和主变洞的渗漏量几乎为0。从渗流场计算结果来看，主副厂房的渗漏量主要为垂直引水方向从主副厂房两侧端墙渗入。

4 结语

考虑厂区洞群布置及渗控措施，对该水电站地下厂房三维渗流进行计算分析，取得如下结论：

（1）正常运行条件下，地下厂房基本位于地下水位以上。在厂房区防渗帷幕和排水系统共同作用下，地下厂房洞室群区域地下水位得到了很好的控制，主厂房和主变洞工作环境良好，厂区防渗排水系统设计方案总体合理、有效。

（2）对于稳定渗流场而言，厂区第一层排水廊道以上的排水系统处于计算干区，厂房中上部干燥无水。但考虑非稳定渗流条件下的降雨、潜在承压水或滞留水的影响，厂房中上部仍可能存在局部渗水。由于非稳定渗流下的流量较小，随机性较强，因此第一层排水廊道以上的排水孔幕间距可适当加大。

（3）垂直于引水方向两层排水廊道之间未设置防渗帷幕或排水孔幕，成为厂房洞室的主要集中渗漏点。建议在此方向增设防渗帷幕及排水孔幕形成封闭性排水系统，其设置对地下厂房的长期安全、稳定运行是有必要的。