某抽水蓄能电站输水发电系统渗流场与渗控措施研究

林 文 徐力群

(河海大学 水利水电学院,南京 210098)

抽水蓄能电站输水发电系统多布设于山体内部,在山体地下水、复杂地质条件、隧洞充水运行时所受内压、众多地下洞室结构及多种渗控措施等因素的共同作用下,常形成复杂渗流场.

地下厂房内部安装有众多机电设备,其安全运行需要干燥环境[1],因而有必要对输水发电系统渗流场进行数值模拟分析,论证输水发电系统正常运行时衬砌、排水廊道、排水孔幕等渗控措施的防渗和引排渗水效果,从而对设计渗控方案进行综合分析评价.为分析抽水蓄能电站正常运行情况下防渗排水措施对地下厂房渗流场的控制效果,周斌等[1]采用修正结点虚流量法和排水孔二次剖分技术相结合的方法对洪屏抽水蓄能电站渗流场进行了计算分析;刘昌军等[2]采用GWSS对文登抽水蓄能电站渗流特性和引水系统外水压力等进行了计算分析;蒋海云等[3]对句容抽水蓄能电站渗流场水头分布和地下厂房渗流特性进行了分析;许增光等[4]利用新的排水孔仿真方法对清原抽水蓄能电站输水发电系统的流量、外部水压、水力梯度进行了计算分析;温立峰等[5]采用全局模型和子模型相结合的稳定渗流分析方法对乌弄龙地下厂房的渗流控制系统进行了综合评价;王晓等[6]对比分析了某水电站防渗排水系统是否正常运行情况下的厂区渗流特性;杨明山等[7]对比分析了排水孔是否失效情况下的厂区渗流特性和引水管道外水压力分布,对厂区排水措施的渗控效果进行了综合评价;王珊等[8]采用改进的排水子结构法模拟排水孔,计算分析了某电站防渗排水系统在正常运行、降雨、排水孔间距不同等工况下的渗控效果,论证了防渗排水系统布置的合理性;张巍等[9]对某电站高压岔管处渗流场分布、渗透坡降分布及各洞室渗透流量进行计算分析,论证了在高压隧洞处设置防渗排水措施的合理性;郑华康等[10]通过对牙根二级水电站地下厂房渗流场分析,验证了防渗帷幕、排水孔幕和排水廊道组成的厂房防渗系统的合理有效性;Tang等[11]基于子结构技术等数值分析方法对电站三维渗流场进行模拟,依据计算成果评价了厂区防渗系统的性能.

对于输水发电系统渗控措施及其效果的研究,主要集中在厂区渗流特性和外水压力分布上,而对输水系统及厂区渗透流量、断层对渗流场的影响等方面的研究较少.本文依据工程实际资料,建立输水发电系统三维有限元模型,对输水发电系统正常运行情况下的渗流特性、最大渗透坡降、输水系统沿轴线方向外水压力水头分布、引水系统和地下厂房洞室群渗透流量进行计算分析,以此综合评价设计渗控方案的合理有效性.

1 工程概况

某抽水蓄能电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库等建筑物组成.上水库采用沥青混凝土简式面板防渗,正常蓄水位390 m,死水位356 m.下水库拦河坝为碾压混凝土重力坝,正常蓄水位151 m,死水位139 m.输水系统包括引水系统和尾水系统,引水系统采用一洞两机的布置型式,设1号、2号两条平行布置的主洞,尾水系统采用一洞一机的布置型式,设1号到4号四条采用龙抬头方式平行布置的主洞.高压管道由主管、岔管和支管组成,设1号、2号两根主管和1号到4号四根支管,主管与支管通过对称“Y”形岔管连接.地下厂房系统主要由地下厂房、主变洞等洞室群、排风竖井等组成,地下厂房位于引水系统尾部,设1号到4号四台机组.枢纽平面布置如图1所示.

图1 枢纽平面布置示意图

该电站输水发电系统布设于上、下水库之间的山体内部,所在区域地形变化较大,沿线地面海拔高程为158～503 m.工程区内出露基岩岩性主要为震旦系下统永宁组变质长石砂岩、燕山早期二长花岗斑岩,局部见二长花岗斑岩、花岗闪长斑岩、石英闪长玢岩等侵入岩脉,第四系地层主要分布于河床、支沟及岸坡上.工程区内不发育较大的区域性断裂,在厂房探洞内共揭露24条断层,出露宽度小于5 m,延伸长度为260～1 500 m.厂区断层内主要充填断层泥、碎裂岩等,部分断层带内蚀变严重,影响带内岩体破碎,且多呈现滴水现象.

图2为沿着2号引水隧洞、2号高压管道主管、4号高压管道支管和4 号尾水隧洞所取剖面(A-B 剖面)工程地质示意图.工程区地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,第四系孔隙潜水主要靠河流上游来水和大气降水补给,排泄于沟谷、河流及地势低洼处,且多为就地补给、就地排泄;基岩裂隙水以大气降水与孔隙潜水渗入补给为主,排泄于沟谷及河道内.工程区地下水位总体随地形起伏,分水岭等地势较高处地下水位高,且随季节变化较明显.

图2 A-B剖面工程地质示意图

输水系统衬砌采用钢筋混凝土衬砌和钢衬相结合的布置方式.上、下水库进出水口采用钢筋混凝土衬砌.引水隧洞内径8.6 m,采用钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度为0.6 m.高压管道主管管径8.6～7.6 m,采用钢筋混凝土衬砌,高压管道岔管采用对称“Y”形钢筋混凝土岔管,高压管道支管管径4.6 m,采用钢板衬砌.尾水隧洞内径6.8 m,底板高程57 m,自厂房尾水管层出口100 m 内采用钢板衬砌,其余部分采用钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度为0.6 m.

为引排厂区地下渗水,环绕地下厂房和主变洞周边设有三层排水廊道,自上而下分别设在主厂房顶拱部位、发电机层、尾水管层高程处.上、下层排水廊道断面净尺寸为3 m×3 m,中层排水廊道断面净尺寸为4 m×4 m.在上层排水廊道处布设向上的斜排水孔(L=40 m,Φ=50 mm,间距4 m),形成“屋面形”排水孔幕.在上、中、下层排水廊道之间布设孔径为50 mm的竖向排水孔,环绕地下厂房和主变洞周边形成排水孔幕.在厂区前设置一层高压排水廊道,断面净尺寸为3 m×3 m,与上层排水廊道相连.所有排水廊道的积水和排水孔渗水均排至厂房底部的集水井.地下厂房区域渗控措施布置如图3所示.

图3 地下厂房区域渗控措施布置示意图

2 计算原理及方法

依据本工程地勘等实测资料,采用集断层为一体的超等效连续介质模型,基于饱和-非饱和渗流基本理论来研究输水发电系统的渗流问题.

2.1 基本微分方程

根据饱和-非饱和渗流连续性方程、达西定律、体积含水率和压力水头之间的关系[12]可推导出基本微分方程为:

式中:xi、xj为位置水头;hc为压力水头为饱和渗透系数张量为中j=3时的渗透系数值;kr为相对透水率,在饱和区kr=1,非饱和区0＜kr＜1;Q为源汇项;C为比容水度,正压区为0;β为饱和非饱和选择参数,饱和区为1,非饱和区为0;Ss为弹性贮水率,非饱和土体中为0.

2.2 定解条件

①初始条件

②边界条件

式中:t0为初始时刻;Γ1、Γ2、Γ3、Γ4分别为已知水头边界、已知流量边界、饱和逸出面边界、非饱和逸出面边界;hc1为已知水头;ni为边界面外法线方向余弦;qr(t)为降雨入渗流量.

2.3 渗透流量计算方法

当工程区地质条件和材料分区较为复杂时,计算渗流场的单元网格常是不规则的,采用中断面法计算通过某一断面的渗透流量时,其计算断面是不规则的,计算不便且计算精度会大大降低.结合工程实际情况,采用任意断面插值网格法计算渗透流量,具体计算原理及步骤参见文献[13].

3 渗流场计算模型

3.1 计算模型

在综合分析计算区域内的地形、岩层等特征的基础上,依据工程地质勘测和设计资料,结合断层宽度、涌水量等因素,重点考虑f10、f28、f29三条断层,采用断面节点控制法[14]形成三维超单元网格,经网格加密细分后形成的有限元网格结点总数为47545个,单元总数为45 278个.计算区域三维有限元网格如图4(a)所示,模型包括部分上水库、引水隧洞、高压管道、地下厂房、尾水隧洞等建筑物.模型X方向为顺管道轴线(垂直于地下厂房轴线)方向,指向下游为正;Y方向为垂直于管道轴线(平行于地下厂房轴线)方向,从1号到4号机组方向为正;Z方向为竖直向,以高程为坐标,向上为正.

上水库库盆、堆石主坝、工程区岩体分区等按其实际情况进行模拟.上水库进出水口、引水隧洞、高压管道、尾水隧洞等圆形截面结构和地下厂房、主变洞、排水廊道等城门洞式结构按面积等效的方式进行模拟.输水发电系统各组成部分布置方式和具体位置依照平面布置图、剖面布置图等工程资料按其实际情况模拟.断层f10、f28、f29按其实际产状和宽度进行模拟.输水系统、地下厂房区域及断层有限元网格如图4(b)所示.

图4 计算区域三维有限元网格图

3.2 计算边界

结合工程实际,该电站输水发电系统三维渗流场计算分析的边界主要有已知水头边界、出渗边界和不透水边界[15-16]3种:

1)已知水头边界包括上、下库水位线以下的水库库底、库岸、主坝上游坡、左右岸两侧按地下水位给定水头的截取边界和输水系统充水时管道内部.

2)出渗边界为上、下库水位线以上的山坡面、主坝坝顶和坝体下游面.由于对排水孔进行等效模拟,本次计算时将排水廊道顶、底边界亦设为出渗边界.

3)不透水边界包括模型底边界、上下游两侧及左右岸两侧除按地下水位给定水头外的截取边界.

3.3 计算参数

为获得岩体和断层合理的渗透系数,根据地质勘测资料中的钻孔水位,采用可变容差法[17]进行初始渗流场下岩体和断层渗透系数反演分析.结合反演分析成果、上水库工程资料和计算分析成果及已有的类似工程经验,计算区域内各材料的渗透系数见表1.

表1 计算区域内各材料的渗透系数

3.4 计算工况

为综合分析设计渗控方案的渗控效果,选定输水发电系统正常运行(输水系统衬砌、排水廊道及排水孔幕等均完好)作为渗流场计算分析工况,计算分析时计算水位仅考虑上库水位390 m,下库水位139 m.

4 渗流场计算结果分析

采用三维渗流有限元计算方法对输水发电系统渗流场进行计算分析,得到输水发电系统地下水位等值线图、位势分布图等数据;采用任意断面插值网格法获得各部位渗透流量.

4.1 输水发电系统渗流特性分析

根据渗流场计算分析成果,输水发电系统正常运行时的地下水位等值线分布如图5所示.

图5 地下水位等值线分布图(单位:m)

由图5可知:1)由于上水库采用沥青混凝土面板防渗及在模型左右岸两侧部分截断边界处施加已知水头边界,上水库对地下水位影响较小,地下水位等值线分布总体呈现为从左右岸截断边界转折处往上游坝坡和下游逐步减小,在地下厂房处达到最小,地下水位等值线分布规律合理;2)地下厂房周围地下水位等值线密集,且呈环状,在内部基本没有地下水位等值线分布,而密集分布区域正是环绕地下厂房和主变洞设置的排水廊道所在位置,可见地下厂房处渗控措施起到了良好的效果,渗水通过排水孔幕等流入廊道,保证了地下厂房区域的疏干.

剖面A-B处(具体位置如图1所示)的地下水位位势分布图和厂房区域位势分布局部放大图分别如图6～7所示.由图6～7可知:1)在排水廊道、排水孔幕的共同作用下,地下厂房区形成明显的水位漏斗,自由面在地下厂房上游侧骤降,下游侧自由面有小幅度下跌,且自由面基本沿着廊道和排水孔前行,厂区大部分渗水流入排水廊道;2)地下厂房所在区域位势小,进入厂房的压力水头值小,厂房所在区域大部分处于干燥状态;3)结合图5,在地下厂房上游侧地下水位等值线和位势分布均存在向上游弯曲现象,主要原因是此处设计的高压排水廊道起到一定的排渗作用,部分渗水流入高压排水廊道,改变了渗流场位势分布.在排水廊道、排水孔幕和高压排水廊道的共同作用下,厂房周围渗水得到有效控制,排水效果良好,可见在厂区采用多层排水廊道、排水孔幕和高压排水廊道相结合的排渗方式在技术上是合理有效的.

图6 剖面A-B地下水位位势分布图(单位:m)

图7 地下厂房区域地下水位位势分布局部放大图(单位:m)

4.2 输水发电系统各部位最大渗透坡降

根据计算分析成果,剖面A-B 处各部位最大渗透坡降见表2.

表2 剖面A-B处各部位最大渗透坡降

由表2可知:1)剖面A-B 处最大渗透坡降在高压支管和地下厂房洞室群处较大,主要是由于地下厂房洞室群的完建,排水孔幕和排水廊道发挥了良好的排渗作用,较大地改变了地下水的流态,在地下厂房上游侧形成浸润面陡然下降的趋势,形成明显的“水位漏斗”.2)输水发电系统充水正常运行情况下,渗透坡降在地下厂房洞室群处最大,最大值为1.86,可满足围岩的渗透稳定性要求.

4.3 输水系统沿轴线方向外水压力分布

为分析输水系统沿轴线方向各计算部位外水压力分布情况,选取2号引水隧洞、2号高压管道主管、4号高压管道支管和4号尾水隧洞作为本次计算分析段,该处输水系统沿轴线方向各计算部位外水压力水头值见表3.

表3 输水系统沿轴线外水压力水头值

由图6和表3可知:1)引水隧洞、高压管道、尾水隧洞均承受一定的外水压力,输水系统绝大部分位于自由面以下;2)输水系统沿轴线外水压力水头在高压管道平段起始端处达到最大,最大值为191.39 m,输水系统大部分位于微新风化岩层,根据地勘资料和设计规范[18],作用于该处管道衬砌上的外水压力折减系数可取0.4,故A-B剖面输水系统衬砌所受外水压力最大值为0.75 MPa,避免了因外水压力过大而在高压管道处发生破坏;3)引水隧洞外水压力沿程降低,压力水头从87.46 m 降低至57.59 m,高压管道平段处外水压力水头由193.39 m 降低至8.52 m,且外水压力水头在厂房左侧排水廊道前出现大幅度下降,尾水隧洞外水压力水头在厂房右侧排水廊道至龙抬头上弯段处变化幅度不大.

4.4 引水系统渗透流量

输水系统充水正常运行情况下,隧洞衬砌所受内压为上游压力水头,外压为衬砌外表所受的外水压力(由渗流场计算求得),二者存在压力差,一般表现为内水外渗.对于钢衬段,由于钢板不透水,因此钢板衬砌段的渗透流量为零.由图6和工程资料可知,尾水系统内外压差较大段为钢板衬砌段,渗透流量为零,而其钢筋混凝土衬砌段内外压差较小,渗透流量很小,故不对尾水系统渗透流量进行计算分析.断层f28、f29影响区域主要为引水系统,断层f10与尾水隧洞交于隧洞龙抬头处,主要影响尾水系统渗流场.针对较大断层对输水系统渗流场的影响问题,本次计算主要研究断层灌浆处理对引水系统渗透流量的影响,其中灌浆处理后断层的渗透系数取为1×10-5cm/s.

引水系统总渗透流量为引水隧洞和高压管道中采用钢筋混凝土衬砌的各段渗透流量之和.断层灌浆处理前后引水系统渗透流量见表4.

表4 断层处理前后引水系统渗透流量

由表4可知:1)未对断层进行处理时引水系统总渗透流量为375.49 m3/d,引水隧洞处渗透流量为205.35 m3/d,占总渗透流量的54.69%;2)在输水发电系统正常运行情况下,断层灌浆处理后引水隧洞处渗透流量减少了3.59 m3/d,高压管道处渗透流量减少了17 m3/d,变化幅度不大,主要原因是灌浆处理前后其渗透系数仅相差一个数量级,对引水系统渗流场作用效果有限.

引水隧洞总长约800 m,高压管道钢筋混凝土衬砌段长约400 m,在钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌完好情况下,引水系统虽会出现一定的渗漏,但总渗透流量不大,可见钢筋混凝土衬砌和钢衬起到了良好的防渗效果.由于断层本身渗透系数较小,在输水发电系统正常运行情况下,断层灌浆处理后引水系统渗透流量有小幅度的下降,可见断层对引水系统渗流场有一定影响,但影响程度不大.然而在实际情况下,围岩的地质条件较复杂,钢筋混凝土衬砌可能存在裂缝,质量也存在不确定性,出于安全考虑,建议对断层影响区加强围岩固结灌浆.

4.5 地下厂房洞室群渗透流量

地下厂房洞室群各洞室渗透流量及各洞室渗透流量与总渗透流量的比值如图8所示.

图8 地下厂房洞室群渗透流量

由图8 可知:1)地下厂房洞室群总渗透流量为1246.77 m3/d,排水廊道处渗透流量为601.30 m3/d,占总渗透流量的48.23%,约为其他洞室渗透流量之和;2)地下厂房处渗透流量为264.17 m3/d,主变洞处渗透流量为264.17 m3/d,结合图6～7分析可知,地下厂房处渗透流量主要是由于厂房底部位于自由面以下,存在一定的绕渗导致的,而主变洞基本位于自由面以上,渗透流量小,故其渗透流量占比小.

排水廊道处渗透流量占比最大,起到了良好的排渗效果,可见环绕地下厂房和主变洞周边布设排水廊道的排渗方式可以有效引排厂区周围渗水.

5 结论

1)依据工程资料,建立某抽水蓄能电站输水发电系统三维有限元模型,采用有限元法进行计算分析,计算结果表明:输水系统采用钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌相结合的防渗方式,地下厂房区域采用多层排水廊道、排水孔幕和高压排水廊道相结合的排渗方式可有效防渗并降低地下水位和引排渗水,渗控效果良好,可满足工程区防渗排水要求,在技术上该设计渗控方案是合理有效的.目前本工程处于可行性研究阶段,本文计算分析成果可为工程设计和施工提供一定的理论指导.

2)输水发电系统各部位渗透坡降不大,可满足围岩渗透稳定性要求.

3)输水系统大部分部位均承受一定的外水压力,输水系统沿轴线方向外水压力水头在厂房左侧排水廊道前出现大幅度下降.

4)输水发电系统正常运行情况下,断层灌浆处理后引水系统总渗透流量比处理前下降了5.48%,变化幅度不大,断层对引水系统渗流场影响程度不大,由于工程实际情况复杂,建议对断层影响区加强围岩固结灌浆.

5)厂区排水廊道处渗透流量最大,地下厂房和主变洞等虽有一定的渗透流量,但大部分处于干燥状态,可为厂房内部机电设备的安全运行提供保障.