泰山抽水蓄能電站上庫防滲效果分析研究

孫嘉璘，王　帥，馮義武（.山東大學土建與水利學院，山東濟南5006；.山東省水利勘測設計院，山東濟南5004）

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泰山抽水蓄能電站上庫防滲效果分析研究

孫嘉璘1，王帥2，馮義武2
（1.山東大學土建與水利學院，山東濟南250061；2.山東省水利勘測設計院，山東濟南250014）

【摘要】本文在裂隙巖體滲流模型的基礎上，通過數值模擬得到了上庫防滲設施不同破損部位和面積條件下的庫區裂隙巖體滲流規律，進一步判定防滲設施的破損部位、面積，從而指導現場滲漏監測和電站安全穩定運營管理，通過計算得到了各工況條件下的上庫右岸排水廊道及庫底廊道滲漏量并與監測資料對比，給出有效的建議和治理策略。

【關鍵詞】抽水蓄能電站；滲漏；數值分析；裂隙巖體

泰山抽水蓄能電站上水庫，位于山東省泰安市西郊，于2006年開始正式投入運行。電站樞紐由上庫、下庫、輸水系統、地下廠房洞室群及地面開關站等組成，裝機容量4×250MW。抽水蓄能電站庫區的滲流問題對水電站安全運營具有至關重要的作用，不僅在于水庫庫區的地質條件多樣、庫區面積大、邊界條件復雜，而且其滲流邊界條件往往不能直接給出，需要通過反演分析求得。

1　水文地質概念模型

1.1模擬范圍劃定及幾何模型建立

建立泰山抽水蓄能電站上庫庫區模型，其范圍主要包括了電站上庫、引水隧洞和地下廠房，并適當擴大模型區域。模擬范圍整體呈矩形，長2.05 km，寬1.67 km，面積約為3.42 km2。

為建立上庫庫區裂隙巖體滲流模型，必須首先建立準確反映庫區地表形態和大規模斷層、裂隙密集帶三維分布的幾何模型。庫區北庫岸山體較厚，山脊高程500～600 m以上，南庫岸山體單薄，山脊高程419～500 m，呈NW—SE方向條狀延伸，向SE方向高程漸降低。根據庫區及電站已有資料，建立了庫區三維幾何模型。

1.2初始條件與邊界條件選取

根據上庫庫區地下水水位確定初始條件，由于模型主體為上庫庫盆及右岸山體，因此根據上水庫施工期的地下水水位監測數據，分別選取了位于庫尾和右岸的三個水位監測孔作為代表。其中位于右岸的KUP5和UP5兩監測孔終孔地下水水位分別為390.88 m和392.79 m，在390 m左右，位于庫尾的KUP3監測孔終孔地下水位較高，為408.46 m，但3孔的地下水水位均在390 m上下變動。為模擬方便，本項目將水文地質概念模型的初始水位條件確定為390 m。

1.3參數確定

二維滲流模型中包含庫區巖體、裂隙介質、混凝土面板和土工膜等防滲設施三種滲流介質。各滲流介質的密度、滲透率、孔隙率均參考《山東泰安抽水蓄能電站工程竣工安全鑒定設計單位自檢報告》選取，體積壓縮系數、貯水系數取自經驗值。

2　計算工況設定

假設不同的滲漏部位及面積，確定9種計算工況，將防滲設施破損面積與全部防滲設施面積的比值定義為防滲設施破損面積百分比。其中具體工況設置如表1所示。

表1　防滲設施計算工況設置表

3　上庫滲漏量監測分析

右岸排水廊道位于右岸面板進/出水口下游側，庫底觀測廊道作為與庫底土工膜鋪蓋的連接邊，一端經左岸壩下通向壩后，另一端延伸至右岸環庫公路，廊道總長1 043.77 m。

經監測，2012—2014年間，庫右岸排水廊道滲漏量最大值約為3.3 L/s，最小值為0.2 L/s。庫底廊道滲漏量最大值約為1.1 L/s，最小值為0.25 L/s。庫底廊道LD+480部位滲漏量最大值約為0.036 L/s，最小值約為0.01 L/s。

4　計算過程及結果分析

4.1右岸排水廊道滲漏量計算及面板破損面積判定

上庫右岸排水廊道拱肩處設置了間隔10 m、直徑110 mm的排水孔，共13個，與該段對應的右岸面板趾板后部的縱向排水土工管相連，并認為右岸面板破損部位的滲漏水均通過排水孔排入右岸廊道。通過式（1）計算右岸排水廊道滲漏量。

式中：Q右岸為右岸破損面板滲漏量；K為上庫裂隙巖體滲透系數取0.518m/d；H1為上庫水位；H2為破損面板后中心處總水頭；Δd為滲漏點到右岸廊道的距離，依據設計資料取3.0 m；A為面板破損面積。

由數值模型模擬結果可知，工況2～工況5條件下破損面板中心處總水頭H2。而在右岸防滲設施破損的情況下，各工況破損面板水位H2均隨上庫水位的波動變化，并高于390 m，最大值約為406 m。另一方面，在同一時間點，防滲設施破損面積越大，H2越高。將H1及H2帶入式（1）可得到2012—2014年在工況2～工況5條件下右岸排水廊道滲漏量，將滲漏量計算結果與監測值相比可得到兩者比值。2012—2014年右岸排水廊道滲漏量計算值及比值變化規律如圖1所示。

圖1　右岸排水廊道滲漏量監測值及計算值變化規律

分析以上計算結果可知，右岸排水廊道滲漏量計算值與監測值隨時間變化規律吻合較好，且各時間點的滲漏量監測值基本位于工況3和工況4的滲漏量計算值之間。滲漏量計算值與監測值相比可得到兩者比值，兩者平均比值和右岸防滲設施破損面積的關系如圖2所示。

圖2　庫底防滲設施破損面積與平均比值關系及擬合圖

根據圖3擬合公式，可計算得上庫右岸防滲設施破損面積約為60.7 m2，此條件下右岸排水廊道滲漏量計算值和監測值平均比值為1.0。

4.2庫底廊道滲漏量計算及土工膜破損面積判定

上庫庫底土工膜破損產生的滲漏量主要包括兩部分，一部分經過庫底觀測廊道然后經由壩后，另一部分則由壩后直接排出。通過數值模擬，計算出各工況下庫底廊道滲漏量，然后依據庫底廊道滲漏量與土工膜破損面積的相關性，結合庫底廊道滲漏量監測值反演出土工膜破損面積。

本研究分別使用大島洋志、佐藤邦明經驗公式計算最大涌水量和正常涌水量。根據以上方法可得到2012—2014年各工況下庫底廊道滲漏計算值，由此得出2012—2014年庫底廊道滲漏量計算值及比值如圖3所示。

分析以上計算結果可知，庫底廊道滲漏量計算值與監測值隨時間變化規律吻合較好，且除個別數據點外，滲漏量監測值基本低于各工況的滲漏量計算值。滲漏量計算值與監測值相比可得到兩者比值，兩者平均比值和庫底防滲設施破損面積的關系如圖4所示。

根據圖4擬合公式，可計算得上庫庫底防滲設施破損面積約為100 m2，此條件下庫底廊道滲漏量計算值和監測值平均比值為1.05。

圖3　庫底廊道滲漏量監測值和計算值變化規律

圖4　庫底防滲設施破損面積與平均比值關系及擬合圖

5　結語

1）經計算分析和現場監測可知，上水庫右岸面板破損部位主要在面板接縫等結構縫處，滲漏主要在此產生，但破損面積總體不大。庫底土工膜破損面積也比較小，可以認為基本無破損。通過計算分析可以判定灌漿帷幕已存在一定程度的破損，產生了一定的滲漏量，建議對其防滲效果進行分析評價，并根據評價結果采取下一步工程措施。

2）通過比較滲漏量計算值與監測值，并分析假定的防滲設施破損面積與滲漏量計算值、監測值平均比值的關系以及現場監測資料，初步判定右岸和庫底均存在防滲設施破損，破損面積分別為60.7 m2、100 m2。

（責任編輯趙其芬）

【中圖分類號】TV743

【文獻標識碼】B

【文章編號】1009-6159（2016）-03-0005-02

收稿日期：2015-12-25

作者簡介：孫嘉璘（1990—），女，研究生在讀