某抽水蓄能電站地下廠房不同情況下排水量數值模擬

陳立強

（福建華東巖土工程有限公司，福建 福州 350003）

1 基本地質條件

某抽水蓄能電站位于江蘇省境內，發電規模130萬KW。工程部位由上水庫、引水發電系統及下水庫等樞紐部分構成。上水庫主壩壩體最高處183.5m，總體庫水容量為1703萬m3；下水庫壩體最高處為33.4m，總體庫水容量為1676萬m3。工程場地位于通濟河支流～洛陽河的上游，觀音山北側山脊上。為一沖積溝源，四周山脊由東北逆時針向南環繞成呈近圓形，盆底小沖溝發育，地勢不平，高程在100～140m左右，沖溝向東南側延伸，高程在90～100m，壩址處溝谷呈寬緩的 “V”字型；下水庫位于侖山水庫上游姊妹橋溪高家邊村至上孟村之間的河段，水庫區長約2km，南岸山體雄厚，北岸地形低緩，輸水線路由上水庫北東側山體穿過侖山主峰后直達下水庫南岸，沿線山體寬厚。工程場地地層復雜，主要有震旦系燈影組葡萄狀構造細晶白云巖、寒武系幕府山組具磷臭味含磷白云巖、炮臺山組薄層的泥質白云巖、觀音臺群含燧石結核的硅質白云巖、奧陶系含燧石條帶灰巖、龜裂紋狀灰巖，二疊系棲霞組具臭雞蛋味的臭灰巖、龍潭組炭質泥巖、不純灰巖、白堊系楊沖組粉砂巖、上黨組的粗面巖等。工程區位于寧鎮山脈湯山—侖山復背斜東段核部，構造發育，其中斷裂F7、F8分布在上水庫，斷裂F9分布下水庫壩址右岸，斷裂F12分布在下水庫南岸及庫盆，輸水系統及地下廠房洞室群（包含主廠房、副廠房、主變洞等地下洞室）位于區域性斷裂F8、F9、F12所圍成的塊體內。研究區內地層分為中、弱、微三個發育強度巖溶化層組，其中均勻型純碳酸鹽巖巖組巖溶為中等巖溶發育強度，以溶蝕裂隙、溶溝（溶槽）、溶洞或寬縫型溶蝕裂隙為主，發育有巖溶管道；地下廠房出露的巖性為含磷白云巖、細晶白云巖，屬于純碳酸鹽巖巖組，巖溶發育強度中等，侵入有約26條巖脈，接觸帶溶蝕強裂，圍巖均為微風化～新鮮，巖質堅硬，巖體透水性弱；地下洞室群位于地下水位以下，具有疏干排水特征，遇較大的溶蝕裂隙或富水斷裂或巖脈旁側可能出現短時間突水、突泥，涌水量和水壓力瞬間變大，圍巖以Ⅲ1～Ⅳ為主。

2 計算模型邊界及工程措施計算組合

2.1 巖體滲透系數的確定

關于巖體滲透系數張量的確定方法，國內外許多學者做了大量工作，歸納起來可分為四種：依次為第一類方法——裂隙統計法、第二類方法——抽水試驗法、第三類方法——壓水試驗法和第四類——數值反演法[1-2]。

不同的方法適合于不同的水文地質條件和實際工程情況。第一類方法是基于統計學方法，根據巖體裂隙結構面的幾何測量值，采用數理統計計算巖體的滲透系數張量。該方法簡單、實用，但要在實際巖體中采集準確的節理結構面產狀、寬度、長度等幾何參數難度很大或者根本無法精確測量，近似的斷層、裂隙面幾何參數測量值會帶來相對粗糙的計算結果。第二類方法是基于解析解方法，對實際抽水試驗資料進行匯總確定巖體滲透系數張量。基于解析法的各種抽水試驗方法雖然數學推導理論嚴密，但對水文地質邊界條件的要求均嚴格，必須是均質的含水層巖體。對于非均質各向異性的含水層巖體，一般只能采用第三或第四類方法。壓水試驗一般而言可以在任意巖層實施，試驗成果較為客觀、可信，確定的巖體滲透系數比較準確。但往往受現場環境的限制，一般試驗人為因素影響較大，專門性的壓水試驗耗資大，為一般工程難以承受，只能是一些大型工程、典型地段結合地質鉆孔進行。第四類數值反演的方法，它反映的是在給定初值和邊值條件下，通過實測地下水動態信息擬合，而獲得的參數。它雖不全等于實際巖體滲透參數，但反映了整個研究區巖體水力學特征。該方法的關鍵是動態數據的可靠性、模型選擇的合理性及反問題解的唯一性。為了能求得不同非均質的參數和提高求解精度，要求在研究區域布置較多數量的地下水長期觀測孔、且分布合理，有長期水位觀測資料[3-6]。

表1 計算范圍內各分區巖體透水性

本文為了達到較高的計算精度，采用壓水試驗方法來確定相關巖體的滲透系數。按巖體結構面發育特征和風化特點，將研究范圍內的巖體在垂直方向上分為三個區，自上而下依次為Ⅰ區-全強風化區、Ⅱ區-弱風化區和Ⅲ區-微新風化區。（1）Ⅰ區透水率為38.2Lu，換算成滲透系數為0.42m/d；（2）Ⅱ區透水率為4.5Lu，換算成滲透系數為0.048m/d；（3）Ⅲ區透水率取1.0Lu，換算成滲透系數為0.010m/d。在地下洞室群周邊設置防滲灌漿帷幕。由于研究區NW向裂隙較NE向裂隙發育，所以計算時把NW向巖體的滲透系數換算成為NE向巖體滲透系數的2倍，其總的大小不變。計算中各區的滲透系數取值見表1。

2.2 研究范圍的選取及模型建立

研究范圍主要是地下廠房洞群室，其范圍如圖1所示。

圖1 研究范圍示意圖

在選取滲漏范圍時，以地下洞室群為主，同時考慮地貌條件、地質條件和有利于邊界條件的確定。正北方向為x軸；正西方向為y軸；垂直向上為z軸。研究區三維剖分網格圖如圖2，上水庫、下水庫庫盆處作為第一類邊界，上水庫庫盆北部及東部以分水嶺為邊界，作為第二類邊界，地下廠房洞室群四周壁作為溢出面處理。其余邊界均為零流量邊界處理。計算時，洞室群處若有灌漿帷幕，灌漿帷幕的厚度取5m，灌漿帷幕的滲透系數取10-5cm/s。研究范圍共剖分了20096個節點，18750個單元。

圖2 研究范圍剖分圖

2.3 工程措施組合

結合影響山體地下水向洞室群滲漏量的主要因素：地下洞室群外圍有無防滲灌漿帷幕，有無減水設施，自然狀態和蓄水工況等共計算了12種組合。

組合1：上水庫未蓄水；無灌漿帷幕、無排水洞；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合2：上水庫未蓄水；灌漿帷幕已建成，灌漿帷幕的滲透系數為10-5cm/s，但是無排水洞；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合3：上水庫未蓄水；有排水洞，且設置三層排水洞（高程分別為56m、26m、-9m），但是無灌漿帷幕；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合4：上水庫未蓄水；灌漿帷幕和排水洞均已完成，灌漿帷幕的滲透系數為10-5cm/s，設置三層排水洞（高程分別為56m、26m、-9m）；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合5：上水庫已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫蓄水至268m高程；灌漿帷幕已建成，灌漿帷幕的滲透系數為10-5cm/s，但是無排水洞；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合6：上水庫已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫蓄水至268m高程；排水洞已建成，設置三層排水洞（高程分別為56m、26m、-9m）；但是無灌漿帷幕；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合7：上水庫已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫蓄水至268m高程；灌漿帷幕和排水均已完成；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合8：上水庫已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫蓄水至268m高程；灌漿帷幕和排水洞均已完成；巖體的透水性為各向同性，即NW向的透水性與NE向的相等。

組合9：上水庫已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫蓄水至268m高程；灌漿帷幕和排水洞均已完成；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合10：上水庫已建成，土工膜和防滲面板均失效，它們的透水性均擴大到4倍，上水庫蓄水至268m高程；灌漿帷幕和排水洞均已完成；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合11：上水庫已建成，土工膜和防滲面板均失效，它們的透水性均擴大到10倍，水庫蓄水至268m高程；灌漿帷幕和排水洞均已完成；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

組合12：上水庫已建成，土工膜和防滲面板均失效，它們的透水性均擴大到20倍，水庫蓄水至268m高程；灌漿帷幕和排水洞均已完成；巖體的透水性為各向異性，NW向巖體的滲透系數為NE向巖體滲透系數的2倍。

3 計算結果及分析

不同組合下地下洞室群的滲漏量計算成果見表2，自由面等值線圖見圖3。

表2 不同計算組合地下廠房排水量表

3.1 灌漿帷幕對滲漏量的影響

在自然狀態下，無灌漿帷幕（組合3）時排水洞的滲水量為2683.8m3/d，地下洞室群的滲水量為427.9m3/d；而有灌漿帷幕（組合4）時，排水廊道的滲水量為1546.5m3/d，地下洞室群的滲水量為403.7m3/d。在上水庫設計水位后，水庫的防滲措施正常的情況下，無灌漿帷幕（組合6）時排水廊道的滲水量為2681.9m3/d，地下洞室群的滲水量為414.8 m3/d；而有灌漿帷幕（組合9）時，排水廊道的滲水量為1561.8m3/d，地下洞室群的滲水量為416.3m3/d。由此可見，灌漿帷幕的作用可以大大減小排水洞的滲水量，所以在地下廠房外圍設置灌漿帷幕是非常必要的。但是應注意的是灌漿帷幕只能阻擋四周來水，而無法減少地下廠房底板高程處地下水的上涌量。

3.2 排水洞對滲水量的影響

在自然狀態下，無排水洞（組合2）時，地下洞室群的滲水量為1589.6 m3/d；而有排水洞（組合4）時，地下洞室群的滲水量為403.7m3/d。在上水庫達設計水位后，水庫的防滲措施正常的情況下，無排水洞（組合5）時，地下洞室群的滲水量為1620.6m3/d；而有排水洞（組合9）時，地下洞室群的滲水量為416.3m3/d。由此可見，排水洞的作用可以大大減小地下洞室群的滲水量。

3.3 巖體的性質對滲水量的影響

由于巖體中大量發育斷層、巖脈和溶蝕裂隙，特別是陡傾角結構面，使得巖體具有非均質各向異性的特點。所以又作了巖體各向異性的程度對滲水量的敏感性分析。組合7中考慮巖體北NE向的透水性是NW西向的5倍，排水洞的排水量4026.6m3/d，地下廠房的滲水量為769.6 m3/d；組合8中考慮巖體北NE向的透水性等于NW西向的透水性，即認為巖體為各向同性，排水洞的滲水量1514.3m3/d，地下洞室群的滲水量為343.2 m3/d；組合9中考慮巖體北NE向的透水性是NW西向的2倍，排水洞的滲水量為1561.8m3/d，地下洞室群的滲水量416.3m3/d。由此可見巖體的各向異性特點對地下洞室群處排水洞的影響非常顯著，陡傾角節理使得地下洞室群底板高程處地下水的上涌量大增。

圖3 12種組合自由面等值線圖

3.4 上水庫庫盆防滲失效對滲水量的影響

為了比較上水庫盆防滲失效對地下廠房處排水洞和地下洞室群滲水量的影響，分別計算了組合10、10和12。組合10為土工膜和防滲面板的透水性擴大到4倍，排水洞的滲水量為1566.3m3/d，地下廠房的滲水量為421.2 m3/d；組合10為土工膜和防滲面板的透水性擴大到10倍，排水洞的滲水量為1568.2m3/d，地下洞室群的滲水量為423.1m3/d；組合12為土工膜和防滲面板的透水性擴大到20倍，排水洞的滲水量為1569.8m3/d，地下洞室群的滲水量為424.7m3/d。

4 結論

研究表明，上水庫庫盆防滲效果對地下洞室群處排水洞和地下洞室群滲水量的影響很小，是由于灌漿防滲帷幕擋住了周圍的來水。因此僅從減少地下洞室群滲水量的方面來看，假定上水庫內未發育通向地下洞室群的滲漏通道前題下，進行專門的上水庫防滲對地下洞室群滲水量的影響不大。如查發育這樣的滲漏通道如巖溶管道、斷層帶等，則地下洞室群滲水量會增大，因此建議對上水庫庫盆進行全面的防滲處理。

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［2］代群力.地下水非線性流動模擬[J].水文地質工程地質,2000(2)：50-51.

［3］Bear J.Hydraulics of Ground water[M].New York：McGraw-Hill,1979.

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［6］閆澍旺，王瑞鋼，王學軍，李少明.白石水庫滲流場有限元分析[J].水力發電學報，2003，2：53-61.