黑麋峰抽水蓄能電站岔管區滲控效果評價

陳 陽，周志芳，黃 勇，顧正聰

（河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引 言

在水利水電工程中，引水發電系統建筑物均深埋在地下水位線以下[1]，特別是抽水蓄能電站，其廠房和引水管道埋深較大，可達300～500 m的水頭差，因此在電站運行期和水道放空檢修期地下輸水隧洞會承受較大的外水壓力從而造成滲漏等問題，隧洞內高壓力水頭常會造成混凝土襯砌開裂，進而導致高壓內水外滲，若高壓隧洞的內水外滲和外水壓力水頭不能有效控制，勢必危及地下洞室和山體的穩定[2]。滲流控制是大型水電工程中的一大主要難題。滲流控制情況直接關系到工程的安全和費用，滲流控制存在缺陷和不足是造成水電工程效益損失的主要原因，因此研究大埋深地下洞室滲控問題具有非常重要的意義。陳益峰[3]提出滲流運動在本質上受地下水的質量守恒方程和線性動量守恒方程控制，但其演化過程同時受初始條件、邊界條件和計算參數的制約。當前對滲流場研究的主要方法有:解析法、水力學法、圖解法等近似計算方法、數值模擬方法以及室內的模型實驗法[4]。本文以黑麋峰抽水蓄能電站為例，采用有限單元法，針對高壓岔管區的Ⅲ、Ⅳ類圍巖地質條件，模擬了電站正常運行期不同設計方案下岔管區地下水滲漏量，并給出了合理的滲流控制措施，為地下洞室滲控提供了理論依據。

1 數學模型

排水疏干和滲流控制是確保地下電站廠房和地下采礦等工程圍巖穩定和安全運營的重要工程措施之一，常用的滲控措施包括防滲帷幕、排水洞和排水孔幕等，其滲控效應的準確評價對于優化工程設計、確保工程安全和節省工程投資具有重要意義[5]。二維非均質各向同性的穩定流控制方程[6]為:

式中，K為滲透系數；H為水頭；H0、H1分別為已知的某時刻對應水頭；Ω為研究區域；Γ1、Γ2分別為研究區域的第一類和第二類邊界條件。采用有限元對式 （1）進行離散，得:

式中，[G]為總導水矩陣；[H]為水頭矩陣；[F]為已知流量矩陣。

2 計算方案及結果分析

2.1 研究區域的選取

圖1 研究區域及岔支管分布

黑麋峰抽水蓄能電站位于望城縣橋驛鎮境內，緊鄰湖南電網負荷中心長株潭地區，距長沙市區僅25 km，距湘潭、株洲不足60 km。電站上水庫位于黑麋峰西側山頂，建有兩座主壩和兩座副壩，正常蓄水位400 m，總庫容996.50萬m3；下水庫位于楊橋東側山麓，正常蓄水位103.7 m，總庫容959.32萬m3。本文以高壓岔管區的1號引水支管縱平面為研究對象，向上游延伸至1號引水系統固結灌漿始端20 m處，向下游延伸至廠房后環向帷幕后20 m，總長330 m （見圖1）。縱向研究區的介于-15～200 m高程，共涉及兩個透水帶，即弱透水帶 （厚約200 m）和微透水帶 （厚約15 m）。

2.2 初始、邊界條件及滲透參數

初始、邊界條件以整個電站區的初始自由面滲流場 （見圖2）。滲透參數的取值分為2種不同情況:①采用洞周圍巖防滲圈方案時，共涉及6種不同材料分區，分別用K1～K6表示，即鋼筋混凝土襯砌、圍巖灌漿圈、鋼板襯砌、弱透水層、微透水層和鋼管端部環形帷幕，滲透系數分別為K1=1×10-7cm/s、K2=6.0×10-7cm/s、K3=1×10-13cm/s、K4=5×10-5cm/s、K5=2×10-5cm/s、K6=1×10-5cm/s。 ②采用縱向帷幕方案時，帷幕的深度可以變化，考慮了2種帷幕深度，即支管以上帷幕的深度分別為45、100 m，加上支管以下15 m，則整個豎向帷幕的深度分別為60、115 m。研究區采用Geostudio-SEEP模塊進行三角形單元離散，共剖分為15959個節點，30885個單元。

圖2 初始流場 （單位:m）

2.3 評價指標

帷幕防滲性能的評價指標主要是排水廊道的排水量和引水支管的滲漏量，主要考慮岔管附近的排水廊道，按編號記為1～9（見圖1b）。由于廠房前后帷幕之間采用鋼板襯砌，幾乎不透水，其滲漏量可以忽略不計，廠房帷幕后壓力較小，可以不考慮支管的滲漏量，因此重點在廠房帷幕之前的引水支管部分，選取上下2個斷面，即8號、9號斷面的滲漏量。

為了減小評價誤差，選用排水廊道斷面的排水量、滲漏量的相對增量 （無量綱）來探討帷幕防滲性能評價。假定采用環向帷幕方案計算的排水廊道排水量和隧洞的滲漏量為QH，用縱向帷幕方案計算的排水廊道排水量和隧洞的滲漏量為QZ，相對增量用ΔQ表示，則

表1 排水廊道滲漏量值m3/d

若ΔQ＞0，則表示采用縱向帷幕方案時廊道的排水量、支管的滲漏量比采用環向帷幕方案時的滲漏量要大；反之，則比采用環向帷幕方案時要小。

2.4 計算方案

本文研究黑麋峰抽水蓄能電站在水庫蓄水、電站正常運行的工況下，高壓岔管區設置不同帷幕的滲漏情況。

（1）方案一。只考慮洞周環向帷幕，不考慮廠房前的縱向帷幕。

（2）方案二。不考慮洞周環向帷幕，只考慮支管以上長45 m的縱向帷幕。

（3）方案三。不考慮洞周環向帷幕，只考慮支管以上長100 m的縱向帷幕。

（4）方案四。綜合考慮洞周環向帷幕及支管以上長45 m的縱向帷幕。

2.5 滲漏量結果分析

通過Geostudio-SEEP模塊進行9個排水廊道的滲漏量計算，結果見表1。用ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3分別表示方案二、三、四相對于方案一的滲漏增量，結果見圖3。從表1和圖3可知，方案一、四的滲漏量均低于方案二、三，說明在洞周設置環向帷幕可一定程度減少排水廊道的滲漏量；ΔQ3＜0可知方案四的滲漏量小于方案一，但增量僅為4～33%，說明支管上設置縱向帷幕的防滲效果不甚明顯；除8號排水廊道外，其他廊道ΔQ2>ΔQ3，說明支管上的縱向帷幕從45 m加長至100 m可對滲漏量有一定控制作用，但是ΔQ3僅比ΔQ2下降了7～25%，故加長縱向帷幕的防滲效果不明顯。

圖3 各斷面滲漏量相對增量的變化情況

對高壓岔管區的1號引水支管采用環向帷幕方案時，圍巖采用劈裂灌漿，滲透性較小，即使在電站運行期 （隧洞內充水），鋼筋混凝土開裂情況下（滲透系數比開裂前增加約10倍），也能夠有效地減小隧洞內的內水外滲量，避免大量的水量繞過環向帷幕流向岔管和廠房各排水廊道。根據黑麋峰抽水蓄能電站區2次充水試驗時廊道排水量的實測數據顯示，廊道最大排水量不超過2 L/min，表明在引水支管洞周采用高壓劈裂灌漿可以有效阻止內水外滲，即采用環向帷幕方案以及對圍巖灌漿圈進行劈裂灌漿的防滲效果顯著。而由于在支管上設置縱向帷幕的防滲效果不顯著，且縱向帷幕長度對防滲效果影響不大，故考慮水庫的運行效益，黑麋峰水電站采用的即是方案一環向帷幕來達到較好的防滲效果。

3 結 論

對引水隧洞的洞周圍巖進行帷幕灌漿處理，能減小圍巖的滲透系數，提高洞周圍巖的完整性，從而減小外水內滲滲漏量，提高防滲性能。當引水隧洞支岔管若只設置環向帷幕時，洞室和排水廊道的滲漏量為544.55 m3/d，而只設置縱向帷幕時的滲漏量為1086.94 m3/d，表明環向帷幕防滲效果遠優于縱向帷幕；若在環向帷幕的基礎上考慮縱向帷幕時，滲漏量減小約90.6 m3/d，若縱向帷幕長度從45 m增加到100 m，滲漏量減小了74.45 m3/d，表明在洞室之間的支管上設置縱向帷幕的防滲效果不顯著。

［1］楊磊，沈振中，邵潮鑫，等.溪古水電站消力池邊坡降雨條件下滲流場三維有限元分析[J].水電能源科學，2013（9）:119-123.

［2］劉昌軍，丁留謙，高立東，等.文登市抽水蓄能電站三維滲流場的有限元分析[J].水電能源科學，2011（7）:57-59.

［3］陳益峰，周創兵，胡冉，等.大型水電工程滲流分析的若干關鍵問題研究[J].巖土工程學報，2010（9）:1449-1454.

［4］王會云.飽和滲流作用下邊坡穩定性分析[J].西部探礦工程，2013（5）: 28-30.

［5］陳益峰，周創兵，毛新瑩，等.水布埡地下廠房圍巖滲控效應數值模擬與評價[J].巖石力學與工程學報，2010（2）:308-318.

［6］顧慰慈.滲流計算原理及應用[M].北京:中國建材工業出版社，2000.

［7］岑威鈞,朱岳明.平原地區大型水閘閘基三維滲流場特性分析[J].水力發電，2006，32（8）:34-37.