抽水蓄能电站输水及地下洞室系统渗流场三维有限元分析

李炎隆，贾 巍，温立峰，雷 艳

(1. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048；2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安 710065)

0 前 言

抽水蓄能电站具有使用周期长、储备容量大、成本较低以及环保等特点，是新能源发展的重要组成部分[1-2]。抽水蓄能电站可以提高电网的可靠性，对电力系统乃至能源结构调整均具有重要意义[3-4]。抽水蓄能电站输水系统和地下厂房系统埋深较大，在上、下库较大水头差作用下，输水系统衬砌承受较大的内水压力可能开裂，地下厂房系统可能产生较大的渗流量，甚至面临围岩渗透稳定问题[5-6]。因此，对高水头作用下的抽水蓄能电站输水及地下厂房系统开展渗流场及渗流控制效果分析至关重要。

众多学者对地下洞室围岩渗流场分布及渗控效应开展了研究。针对含复杂排水系统的岩体渗流模拟问题，陈益峰等[7-9]提出了结合变分不等式、排水子结构和自适应罚Heaviside 函数的渗流分析方法，并进行了工程验证，获得较为理想的结果。众多学者提出可以真实反映岩体渗透特性的渗透系数张量确定方法[10-11]。围绕输水及地下洞室系统排水孔模拟的难题，排水子结构法、空气单元法、以管代孔法、以缝代井法、等效杆单元法等[12-13]方法被提出用于模拟密集排水孔幕的渗流行为。基于上述相关理论方法，部分学者对抽水蓄能电站地下厂房围岩渗流场开展了渗流控制效果分析，分析了抽水蓄能电站输水系统和地下厂房系统渗流场分布规律[14-15]。虽然已有部分学者对地下洞室围岩的稳定/非稳定渗流场开展了研究，但是含复杂渗流控制系统的抽水蓄能电站围岩渗流场分析仍然存在裂隙岩体渗透参数确定难、渗流场以及排水孔幕精确模拟困难等问题。工程上对抽水蓄能电站输水及地下洞室系统三维渗流场分布规律的认识仍然不足。因此，有必要进一步开展抽水蓄能电站输水及地下洞室系统三维渗流场分析研究。

本文依托牛首山抽水蓄能电站工程，采用三维渗流场有限元方法，建立包含输水系统、地下厂房系统和复杂洞室围岩的三维渗流场数值计算模型,基于稳态渗流分析方法，在参数反演分析基础上，分析抽水蓄能电站输水及地下洞室系统渗流场分布规律，讨论上、下库水位变化及厂房下游侧帷幕失效对渗流场的影响。

1 工程概况

牛首山抽水蓄能电站位于黄河青铜峡水库右岸的牛首山西麓，站点距离银川市直线距离约82 km、吴忠市约32 km、青铜峡市约29 km。上水库位于牛首山主峰大西天正东侧，利用赵井寺沟沟脑段及其支沟形成的洼地地形筑坝及挖填形成。正常蓄水位1 655.00 m，死水位1 628.00 m，调节库容710.8万m3。下水库位于牛首山西侧，黄河青铜峡水库右岸的山前洪积阶地上，利用洪积阶地地形挖填形成。正常蓄水位1 262.00 m，死水位1 237.00 m，调节库容710.4万m3。电站装设4台单机容量250 MW的混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量为1 000 MW。

输水线路布置于上、下库之间山体内，洞线采用直线布置，发电厂房采用中部式方案；引水及尾水系统分两个水力单元均采用2洞4机布置；引水隧洞立面采用斜井布置，衬砌方式采用上平段采用钢筋混凝土衬砌，上斜井(含上弯段)以后全部采用钢板衬砌方案；上、下水库进/出水口均采用侧式岸坡竖井式。输水发电系统纵剖面如图1所示。厂房洞室群主要由主厂房、主变洞、尾闸洞、尾水管等组成。主变洞室平行布置在主厂房洞室下游，二者之间的岩体厚度为40 m。主厂房洞室开挖尺寸为171.00 m×27.4 m×55.9 m(长×宽×高)，主变洞开挖尺寸为149.60 m×19.50 m×22.80 m(长×宽×高)，母线洞室大洞断面面尺寸为9.2 m×11.65 m (高×宽)，小断面7.7 m×6.8 m (高×宽)。

图1 牛首山抽水蓄能电站1号输水发电系统纵剖面 单位：其他尺寸，m

本电站为中部式布置，根据初步勘探结果，地下厂房处于地下水位以下，为了降低地下洞室群围岩渗透压力和减少地下水的渗漏量，在地下洞室群四周设置排水系统。厂区不同高程设置3层排水洞，排水洞为3.0 m×3.5 m城门洞型断面，内设一排排水孔，孔径为90 mm，间距为3 m，以形成排水帷幕。顶层排水洞底板高程1 205.00～1 193.00 m，呈“目”字形布置，上层排水廊道内布设向上的斜排水孔(Ø=90 mm，L=20～52 m，间距3 m)，在主厂房、主变洞和尾闸洞顶拱上方相交，形成“人”字形排水幕，减少地下水向地下厂房、主变洞和尾水闸门室顶拱渗漏。中层排水洞底板高程1 179.10～1 173.00 m，在中层排水廊道下游侧增设帷幕灌浆，与尾水支管钢衬段末端环向阻水幕搭接，形成阻水帷幕。下层排水洞底板高程1 153.40～1 147.00 m，呈“口”形布置。3层排水廊道之间设竖向排水孔，环绕地下厂房、主变洞和尾闸洞周边形成排水幕，减少地下水向主厂房、主变洞和尾闸洞的边墙渗漏。为减少外水压力，在下斜井钢衬段顶部不同高程设置排水廊道(除下平段顶部排水洞外，其他充分利用施工支洞)，压力钢管上层排水廊道与下层排水廊道通过排水竖井相连，其中下层排水廊道与厂房排水系统相连，渗漏水通过厂房自流排水洞排出。

2 数值计算模型

2.1 有限元模型

根据牛首山工程水文地质资料，采用ABAQUS软件建立三维等效连续介质渗流场有限元计算模型如图2所示。计算模型以厂房为中心，向厂房上、下游，左右岸均取超过5倍厂房开挖跨度，模型四周边界尽量取在山体分水岭位置，以确保模型计算边界的合理性。根据工程地质资料将地层自上而下分为强风化层、弱风化层及微新岩层，取强风化层厚度约25 m，弱风化层厚度约20 m。模型包括上库区、地下厂房洞室群、厂房区排水系统、引水隧洞、引水隧洞排水系统、尾水隧洞等建筑物及下库区。数值模型以x轴为正东方向，总长为2 681.5 m；y轴为正北方向，宽1 747.6 m；z为高程方向，模型底部高程为300 m，最高高程为1 751.30 m。整体模型剖分节点数量为36.6万，网格单元数量为183.4万。

图2 三维有限元计算模型

模型四周侧面边界为定水头边界，值为反演所得地下水位；引水隧洞、地下厂房洞室群、尾水隧洞和压力管道部位的排水廊道和排水孔均为潜在逸出边界；压力管道采用钢衬，为隔水边界；模型底部为隔水边界。引水隧洞为定水头边界，值为上库相应工况水位；尾水隧洞为定水头边界，值为下库相应工况水位。

2.2 计算工况

为了研究输水系统和地下厂房洞室群运行期渗流场分布规律及渗流控制系统的渗控效果，分析和评价上、下库水位变化以及厂房下游侧防渗帷幕对渗流场的影响。本文进行3个工况的计算，计算工况及工况条件如表1所示。其中工况1为上库高水位、下库低水位防渗排水系统正常运行工况，工况2为上库低水位、下库高水位防渗排水系统正常运行工况，用于与工况1对比分析上、下库水位变化对渗流场的影响。工况3为上库高水位时厂房下游侧帷幕失效工况，用于与工况1对比分析厂房下游侧帷幕失效对渗流控制系统渗控效果的影响。

表1 计算工况表

2.3 天然渗流场反演分析

为了合理确定洞室围岩渗流场计算参数，首先对工程区不同分区岩体、断层的渗透系数进行参数反演分析。反演分析的部位包括：强风化层、弱风化层、微风化层以及断层F14、F15、C-F2和PD02-F9。模型中真实考虑断层的分布和厚度，建立断层几何模型，按照实体单元模拟。断层按各向异性考虑，其余按各向同性考虑。渗透系数的反演采用反问题正算法，通过拟定多组参数进行试算，以最小二乘法拟合和实测浸润面误差最小的最佳模型不同分区渗透系数。根据该工程钻孔资料经反演分析和拟合计算，8个钻孔实测平均水位与反演模型计算结果对比如图3所示。各部位反演后渗流参数取值如表2所示，其中防渗帷幕和混凝土衬砌的渗透系数参考相关工程取值。

图3 钻孔实测平均水位与计算水位的比较

各钻孔计算水位与实测水位水头差最大为13.6 m，最小为4.0 m，平均值为9.0 m，各钻孔实测水位与反演水位相对误差绝对值最大为1.28%。根据对相关文献[15]以及同类工程成果的分析，一般认为反演结果中各钻孔实测水位与计算水位相对误差不大于5%即在合理范围内，结果说明本次反演结果精度在可接受范围内。

表2 各地层及断层渗透系数反演结果

3 计算结果和分析

3.1 防渗排水系统正常运行工况渗流场分析

图4为工况1和工况2沿输水系统轴线剖面的总水头等值线分布图。 图5为工况1和工况2输水系统沿线外水压力分布图。由图4可知，工况1正常蓄水时引水系统轴线位置浸润线经过压力管道顶部辅助排水廊道和排水孔时出现较明显的下降。结果表明压力管道辅助排水廊道和排水孔幕取得较好的排水作用，可以较为有效地降低浸润线位置。引水系统部分位于浸润线以上，大部分仍然位于浸润线以下，但是浸润线位置总体较低。上斜井段与中平段结合部位和下斜井段外水压力较大，最大值大为112 m。尾水隧洞沿线均处在浸润线以下，由于尾水段缺少必要的排水措施，整体外水压力值相对较大，最大压力水头值为121 m。在厂房区渗流控制系统的作用下，厂房区大部分在浸润线以上，处于干燥状态，厂房区浸润线溢出点靠近厂房底部，厂房区渗流场分布呈现明显的漏斗状，说明厂房区排水系统和防渗措施起到很好的渗流控制效果。与计算工况1相比，当上库水位自高程1 655.00 m降至高程1 628.00 m，下库水位自高程1 237.00 m升至高程1 262.00 m时，由于上库水位降低，下库水位升高，引水系统浸润线及外水压力有所降低，最大外水压力值减小20 m左右，发生在中平段和下斜井段附近。尾水系统浸润线位置有所增加，最大外水压力增加30 m左右。厂房上游侧浸润线有所降低，下游侧浸润线有所抬升，导致厂房下游浸润线溢出点位置抬高，厂房区水头值均有所增大，但在厂房四周排水孔幕的排水作用以及下游侧防渗帷幕的防渗作用下，厂房区大部分仍在浸润线以上，处于干燥状态，厂房区排水系统和防渗措施起到较好的防渗排水作用。

图4 工况1和工况2沿水道轴线剖面总水头等值线单位：m

图5 工况1和工况2水道沿线外水压力

工况1厂房洞室群围岩最大水力坡降为6.4，发生在厂房下游侧底部出渗部位，满足工程经验允许坡降，对围岩稳定影响较小。工况2围岩最大水力坡降为7.8，相对于工况1有所增加，发生位置与工况1基本一致，该水力坡降仍然较小，满足工程经验允许坡降。3种工况下工程区各区域渗流量计算结果如表3所示。表中负值表示内水外渗。工况1厂房集水井渗流量为1 612.61 m3/d，主要包括厂房洞室群、厂房的中层和下层排水廊道的排水量，该部分渗流量主要依靠后期集水井抽水泵排出。由于地下水位较高，厂房集水井渗流量整体相对较大，但是在可接受的范围之内。顶层排水廊道自由出流渗流量为1 471.8 m3/d，包括厂房上层排水廊道、压力管道上部和下部排水体的排水量，该部分渗流量依靠自重自由排出洞室系统外。由于内水压力大于外水压力，引水系统和尾水系统均表现出内水外渗的特点，其中尾水系统的渗流量相对较大，但是引水系统和尾水系统渗流量整体均较小。隧洞衬砌可以有效减小管道与围岩之间的渗流量 。与计算工况1相比，在管道外水压力和厂房区浸润线位置差异作用下，工况2厂房集水井总渗流量增大239.55 m3/d，达1 852.16 m3/d。其中厂房洞室群渗流量增大41.54 m3/d，厂房排水系统渗流量增大239.92 m3/d，为渗流量增加的主要来源。两种工况引水系统和尾水系统渗流量较为接近。总体而言，上、下库两种运行水位情况下，各部位渗流量差别不大，渗流控制系统均可以取得较好的渗控效果。

表3 各工况不同部位渗流量 /(m3·d-1)

3.2 厂房下游侧帷幕失效对渗控效果的影响分析

图6为工况3(厂房下游侧帷幕失效)和工况1沿输水系统轴线剖面总水头等值线分布图。图7为工况3和工况1输水系统沿线外水压力分布图。由图6可知，正常蓄水位下厂房下游侧帷幕失效对引水系统渗流场影响不大，厂房上游侧压力管道浸润线相对于工况1整体有所降低，但是变化不大，外水压力变化最大值10 m左右，发生在下斜井和下平段的结合部位。厂房下游侧帷幕失效对尾水系统的影响相对较大，帷幕失效情况下，由于上、下层廊道排水孔正常工作，渗水进入排水孔，因此尾水系统浸润线相对于工况1有所降低，最大外水压力降低大约15 m。 这主要是因为帷幕失效情况下，围岩渗流直接进入排水孔和厂房洞室群，此时渗径减小，浸润线降低。帷幕失效情况下，此时主要由压力管道和厂房排水系统发挥排水作用。总体而言，厂房下游侧帷幕失效情况下，厂房下游侧和尾水系统浸润线有一定程度的降低，外水压力值有一定程度的减小，但是整体而言浸润线变化较小。

图6 工况1和工况3沿水道轴线剖面总水头等值线单位：m

图7 工况1和工况3水道沿线外水压力

厂房下游侧帷幕失效时，由于厂房下游侧水流直接进入厂房区，渗径大大减小，围岩最大水力坡降增加，最大值8.8，该水力坡降仍然较小，满足工程经验允许坡降。由表3可知，与工况1相比，厂房下游侧帷幕失效时厂房集水井总渗流量增加301.86 m3/d，达1 914.47 m3/d。其中厂房洞室群渗流量增大303.58 m3/d，厂房排水系统渗流量增加240.31 m3/d，为渗流量增加的主要来源。上述渗流量的增加主要是由于防渗帷幕失效引起厂房下游侧渗径减小。由表3可知，帷幕失效情况下尾水隧洞渗流量有所增大，输水系统渗流量无明显变化。厂房下游侧帷幕失效对输水系统渗流量影响较小，但是显著影响厂房系统的渗流量，说明防渗帷幕对控制渗流量具有重要作用。

4 结 论

本文依托牛首山抽水蓄能电站，采用三维渗流场有限元方法，建立了包含输水系统、地下厂房系统和复杂工程地质围岩的三维渗流场数值计算模型，基于稳态渗流分析方法，在参数反演分析基础上，研究了抽水蓄能电站输水及地下洞室系统渗流场分布规律，讨论了上、下库水位变化及厂房下游侧帷幕失效对渗流场的影响，形成主要结论如下：

(1) 上、下库不同水位正常运行情况下，输水系统均处于浸润线以下，但是外水压力总体相对较小，在渗流控制系统的作用下，厂房区大部分位于浸润线以上，处于较为干燥的状态，渗流出溢点在靠近厂房底部部位。输水系统和厂房系统设置必要的排水和防渗措施可以有效降低地下水位，保证工程安全。上、下库不同正常运行水位对渗流场影响较小，渗流控制系统均可以取得较好的渗控效果。

(2) 厂房下游侧帷幕失效对输水系统水头分布影响较小，其中厂房下游侧和尾水系统部位浸润线有一定程度的降低，外水压力值有一定程度的减小。厂房下游侧帷幕失效对输水系统渗流量影响较小，但是显著影响厂房系统的渗流量，说明防渗帷幕对控制渗流量具有重要作用。对于地下水丰富且规模较大的地下洞室系统，有必要设置厂房下游侧帷幕。