句容抽水蓄能電站滲控效果數值模擬與評價

蔣海云　徐劍飛　劉斯宏　周　斌　廖　潔

(1. 江蘇句容抽水蓄能有限公司， 江蘇 句容　212400； 2. 河海大學 水利水電學院， 南京　210098)

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句容抽水蓄能電站滲控效果數值模擬與評價

蔣海云1徐劍飛1劉斯宏2周斌2廖潔2

(1. 江蘇句容抽水蓄能有限公司， 江蘇 句容212400； 2. 河海大學 水利水電學院， 南京210098)

句容抽水蓄能電站地質條件復雜，為分析現擬的滲控措施能否達到預期效果，本文建立了句容抽水蓄能電站三維整體滲流場有限元模型，采用排水孔二次剖分技術和改進的結點虛流量法相結合的方式，實現了對排水孔幕等復雜滲控措施的精細模擬，分析了設計工況下電站的整體滲流特性．結果表明，現擬的滲控措施對庫區及地下廠房洞室群滲流場起到了較好的控制作用．

結點虛流量法；排水孔幕；句容抽水蓄能電站；滲流特性

1　工程概況

句容抽水蓄能電站位于江蘇省句容市東昌鎮侖山區句容林場附近，總裝機容量1 350 MW(6臺單機容量為225 MW)，是一座日調節純抽水蓄能電站．電站地處江蘇電力負荷中心，距離溧水電網500 kV主環網51 km，上網條件十分便利，建成后可作為整個江蘇省電網主要調峰電源，地理位置優越．電站為一等大(I)型工程，上水庫主副壩、輸水系統、地下廠房、下水庫大壩及泄洪建筑物等主要永久性建筑物為一級建筑物，次要永久性建筑物按三級建筑物設計，安全要求等級高．工程區由西往東跨越侖山主峰，上水庫利用侖山主峰西南側溝谷挖填而成，總庫容1 703 m3；下水庫位于侖山水庫庫尾，在姊妹橋筑壩形成，并設置溢洪道和泄放孔，總庫容1 676萬m3．輸水系統和地下廠房位于侖山主峰的山體內，總長1 368.3～1 403.4 m(上庫進/出水口至下庫進/出水口)．工程區布置如圖1所示．

圖1　工程區布置圖

上水庫防滲設計采用庫岸鋼筋混凝土面板與庫底土工膜防滲相結合的方式，土工膜上部采用土工布保護，并用砂袋壓敷，采用連接板與大壩防滲面板聯接，聯接處采用角鋼將其固定，在土工膜與岸坡防滲面板聯接處設排水觀測廊道，排水觀測廊道沿庫岸周邊布置，沿程設置排水管與岸坡及庫底排水層相通，以排除庫岸和庫底來的滲漏水．目前廠區滲控設計主要依據“堵排結合，堵排并重”思想，這樣可在減少外部滲水的同時及時降低廠房的內水壓力，達到保證洞室群圍巖穩定的目的[1-2]．句容抽水蓄能電站廠區滲控設計也不例外，一方面在外圍設計了全封閉式的混凝土防滲帷幕，阻隔地下水侵入廠房；另一方面在鋼岔管和環繞廠區依次布置了頂層、上層、中層和下層四層排水廊道，相鄰兩層廊道間還設置了密集排水孔幕．除此以外，為了充分發揮排水降壓功能，主廠房上層排水廊道內設置有30°的“人”字型傾向洞頂的排水孔，工程經驗表明此類排水孔可有效截斷并排走由于降雨入滲等因素引起的廠區頂部入滲水流[3]．句容抽水蓄能電站地下廠房區域初擬防滲排水布置剖面及平面布置示意圖如圖2所示．

圖2　地下廠房區域防滲布置示意圖

現階段，國內外對于抽水蓄能電站三維整體(即“上水庫-輸水系統-廠房系統-下水庫”)滲流計算的研究相對較少，大部分學者通常是利用商業軟件或自編程序對抽蓄系統的某一部分區域進行研究，例如：亢景付[4]利用ANSYS軟件建立了西龍池抽水蓄能電站蝸殼結構三維有限元模型、曾靜[5]利用FLAC3D軟件建立了佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房三維有限元模型、嚴飛[6]基于Auto CAD二次開發技術提出控制斷面節點對連法，并以此建立了江蘇宜興抽水蓄能電站上水庫滲流分析模型、文洪[7]建立了浙江天荒坪抽水蓄能電站地下廠房結構等．近年來，也有少數學者提出了整體滲流計算模型，例如：梅一[8]利用水文地質軟件GMS分析了蒲石河抽水蓄能電站天然地下水流運動、劉昌軍[9]采用中國水利科學研究院研發的滲流計算軟件GWSS分析了山東文登抽水蓄能電站三維整體滲流場．但是以上整體模型在建模過程中對實際問題處理得過分簡化或根本未考慮上水庫各壩體結構、地下廠房抽排措施等滲控關鍵因素，致使總體網格相對粗糙，從而降低了計算精度．

從數值計算理論角度考慮，抽水蓄能工程滲流計算難點主要在于自由面求解和排水孔幕的精細模擬．多孔介質自由面數值計算歷來是工程研究熱點，主要有剩余流量法、初流量法、調整滲透系數法、結點虛流量法以及在此基礎的各類改進方法等．這些方法都力圖使自由面飽和區域(濕區、實區)流量貢獻遠大于非飽和區域(干區、虛區)，從而逼近真實解；排水孔幕的數值模擬則經歷了從單元模擬到邊界模擬的歷程，相比而言，邊界模擬更能直接反應排水點處的滲透特點，而且能有效克服排水單元滲透不收斂的缺陷．本文在總結前人研究工作基礎上采用文獻[11]提出的控制斷面結點對接技術，建立了句容抽水蓄能電站三維整體滲流模型，并采用改進后的結點虛流量法和排水孔邊界直接模擬法對整體滲流場進行了數值模擬．

2　計算理論

2.1結點虛流量法

多孔介質的穩定飽和非飽和滲流問題PDE方程為：

(1)

圖3　無壓穩定滲流數學模型示意

常規土壩滲流邊圖條件為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，kij為滲透系數張量；H為已知水頭函數；ni為邊界面外法線方向余弦，i=1，2，3；Γ1、Γ2、Γ3、Γ4依次為已知水頭邊界、流量邊界、飽和逸出面邊界、滲流自由面邊界，qn為法向流量．

由于無壓滲流問題中自由面和溢出點位置未定，需要通過迭代才能確定，故根據以上提及的PDE方程和邊界條件，利用變分原理將其離散為相應的非線性有限元支配方程，稱為改進的結點虛流量法[10]：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，K，h和Q分別為總體計算域Ω=Ωw+Ωd的滲透矩陣、單元結點的水頭矩陣以及等效流量列陣；ΔQ為由于自由面穿越過渡單元虛域部分產生的流量列陣，結點虛流量迭代本質就在于逐步修正該項貢獻進而趨近真實解；Q2是上游已知水頭結點對相關聯過渡單元虛部分的流量貢獻．理論證明這部分流量很小(因為與已知水頭結點相交的單元很少)，所以一般將其忽略；Nn為單元的形函數；Fu(hc)為截止負壓的罰Heaviside函數；ε1、ε2為與網格相關的兩個罰參數．

2.2排水孔幕的數值模擬

排水孔根據其排水特性可分為逸流型(頂排型)和溢流型(底排型)兩種[1]：只有當整個逸流型排水孔孔底處在自由面以上時才失效，當其有效時，自由面以下孔壁可作為逸出面邊界；溢流型排水孔則是根據“水滿則溢”原理，當且僅當頂部滲水漫過排水孔孔頂時才會有效，此時所有孔壁結點水頭均等于孔頂高程，二者水力數學模型分別如下：

(10)

(11)

式中，ΓE為逸流型處于滲流實域的邊界，Γo為溢流型排水孔處于滲流實域的邊界；z為邊界結點的位置高程；ho為溢流型排水孔的孔頂高程．

排水孔邊界直接模擬法根據排水孔類型，將孔壁結點以相應已知水頭邊界的形式裝配進修正的結點虛流量法中，依據每步迭代結果判別排水孔工作狀態，更改水頭邊界，為下一步迭代做準備，具體過程如下：初始迭代時將所有溢流型排水孔孔壁結點設為孔頂高程(即假設所有溢流型排水孔均有效工作)，在后期的迭代中逐次計算每串排水孔所有結點流量之和，若流量之和為負，則該排水孔失效，孔壁所有結點自動轉為內部網格結點；而逸流型排水孔在初次迭代時將所有水頭設為相應位置高程，在后期迭代過程中逐次計算每串排水孔上的每個結點流量，若流量為負，該結點自動轉為內部網格結點．所有排水孔循環完畢后重新整理排水孔邊界集，進入下一步迭代，循環往復直至沒有新增失效排水孔為止．

3　計算結果與分析

3.1計算模型及材料參數

抽水蓄能電站工程竣工后，上下水庫、庫底基礎、地下廠房洞室群及壩體兩岸巖體內的地下水相互作用，形成一個整體的三維滲流場，因此只有建立整體計算模型，才能真實地反映其工程滲流特性[11-12]．本文借鑒文獻[11]提出的三維整體有限元前處理方法，建立了句容抽水蓄能電站三維整體模型．模型東側截至下水庫不同蓄水位及部分山體，西側囊括上水庫及上水庫西側庫岸西側山體，底部邊界至標準高程零點向下50 m，頂部為山體實際高程．最終生成的計算網格共4 845 397個單元和532 373個結點，經過排水孔子結構二次剖分后得到一類排水孔(逸流型)1 033個，二類排水孔(溢流型)481個．本三維模型對上/下庫主副壩、庫底全封閉式防滲結構、地下廠房洞室群及其防滲排水系統、F113等15條關鍵斷層進行了較為全面細致的模擬，整體網格及關鍵部位網格如圖4所示．

圖4　句容抽水蓄能電站有限元模型

根據現有水文地質資料，確定模型邊界條件如下：上/下庫盆內表面結點根據不同工況確定水位(如設計工況下上/下庫分別為267 m/65 m)；上水庫北部地勢較高處邊界取侖山分水嶺鉆孔地下水位值，若分水嶺處缺乏鉆孔資料，則根據周邊鉆孔水位埋深推算；工程區南部為句容盆地，為典型河床相和河漫灘相，因此模型南側邊界根據鉆孔實際埋深取值；模型東西兩側及水平底部均設為隔水邊界；排水孔、排水廊道初始值均處理為逸出邊界，巖溶裂隙發育帶取為可能逸出邊界．

本文參照實測水文地質資料、已有可研階段報告及同類型工程選取材料滲透系數，見表1．

表1　計算域各材料滲透系數

3.2計算結果分析

廠房洞室群周邊排水廊道、排水孔幕及防滲帷幕的布置至關重要，長效而經濟的布置方案是地下廠房系統長期安全運行的有力保障．本文重點研究現擬滲控方案是否滿足滲控要求，故計算分析以設計工況結果為準，設計工況下所有防滲排水設施均正常工作，上/下水庫分為正常蓄水位和死水位，斷層各向異性比1∶100．

3.2.1整體滲流場水頭分布

設計工況下總體水頭等值線分布云圖以及Z=26.00 m高程處整體計算域滲流場水頭等值線圖，如圖5所示．紅色線條為Z=26.00 m剖面自由面曲線．從圖中可以看出：三維整體滲流場的水頭分布表現出合理的規律性，等值線走向、形態和密集程度都較準確地反映了相應區域防滲或排水措施的滲流特性．在圖5(a)，上水庫內顯示深紅色，水頭較高；地下廠房區域為深藍色，水頭較低．滲流總體趨勢表現為滲透水流分別由上/下水庫向廠區匯集，在廠區滲控措施的作用下水頭達到最低．具體說來，由于上水庫較高的地勢及庫水的作用，水頭在整體滲流場中相對較高，并以自身為中心向四周降低；地下廠房位置水頭等值線密集，且水頭降幅較大，這是由于廠區周圍滲控措施起到了較好的防滲排水作用；下水庫地下水位低于東部山體水頭，表明下庫庫水補給除降雨和上庫補給以外還有東部山體，有利于下水庫正常蓄水．

圖5　句容抽水蓄能電站整體滲流場分布(單位：m)

3.2.2地下廠房滲流特性分析

設計工況下廠房橫縱剖面水頭等值線分布圖如圖6所示．從圖中不難發現：在遠離廠房區域，自由面由兩邊向廠房處逐漸下降，且水頭等值線分布稀疏，水頭降落平緩；在地下廠房附近，三大洞室的開挖，引起附近山體水向廠區匯集．受引水豎井前方的導水性斷層F113影響，自由面發生跌落，在引水支管排水廊道豎向排水孔幕的進一步作用下，自由面繼續下降，幾乎與下層排水廊道底部齊平．廠房下游匯集的地下水與防滲帷幕相遇后急劇下降，近乎垂直，同時下層排水廊道被淹沒．由此可見，設計工況下頂層、上層和中層排水廊道以及期間的排水孔幕均未發揮作用，僅有下層排水廊道和底部溢流型排水孔起到了降壓作用，累計排水量分別為15.16 m3/h和5.29 m3/h．

圖6　廠房橫縱剖面水頭等值線分布圖(單位：m)

值得注意的是，盡管排水廊道和排水孔幕具有較強的導滲作用，但是由于排水設施相對較小的尺寸及降幅較大的水頭，這些位置周邊巖體的滲透坡降會很大，實際設計施工時應注意做好防范措施(如設置圍巖反濾等)．由于地下水繞滲，廠房底部受揚壓力的作用，在兩側各出現一個逸出點，高程分別為6.52 m和9.03 m，此逸出點高程低于廠房內發電機組的安裝高程20.00 m，故而不會影響發電機組的正常運行．此外廠房下層排水廊道基本處于自由面以下或者被自由面貼壁流動，建議實際施工中，及時排走下層排水廊道內的積水，并澆筑一定厚度的抗滲混凝土于廠房底板以提高其抗滲性能，將繞滲的地下水阻擋在外，保證廠區干燥．

3.2.3上水庫庫岸滲流特性分析

設計工況下上水庫庫岸剖面水頭等值線分布圖如圖7所示．總體來說，自由面形態表現為西側山體地下水緩慢向下水庫流動、北側山體向南部邊界緩慢流動．由于上水庫和廠房下游區域巖溶發育，在數值計算中采用放大滲透系數的方式來處理，故這些區域的地下水相對輸水管道區域沿程水頭損失較小、自由面降幅相對較低、等水頭線分布也更稀疏．此外，地下水流過上水庫后受到廠區排水孔幕以及導水斷層的影響，降幅開始增大，尤其是水頭值為60 m處自由面跌至最低．縱觀兩圖上水庫區域水頭等值線分布可以看出，上水庫四周地下水位較低，均低于正常蓄水位高程267.00 m，不能補給庫水即上庫庫水只能依靠天然降水與下水庫抽水補給，因此需嚴格保證上水庫防滲措施的施工質量，減少庫水外滲．

圖7　上水庫庫岸剖面水頭等值線分布圖(單位：m)

3.2.4下水庫庫岸滲流特性分析

在設計工況下水庫庫岸剖面水頭等值線分布如圖8所示，自由面形態表現為：北庫岸山體內地下水自由面由高地勢處緩慢流向庫盆(表面出滲點略高于下庫死水位65 m)，呈補給庫水的狀態．滲水經過南庫岸面板后，出現一個微小的水頭跌落過程，而后貼著面板下方廊道流動．值得注意的是，盡管面板背水面有來自于上水庫底部地下水的侵入，但地下水在面板底部排水廊道和排水孔的限制下，自由面始終保持較低的狀態．

圖8　下水庫南庫岸剖面庫盆區域水頭等值線分布圖(單位：m)

4　計算結果驗證

為了驗證三維整體滲流場計算結果的合理性，本文利用上水庫前期地勘保留的28個長觀孔資料與竣工期計算值進行了對比分析，對比結果見表2．

表2　上水庫各鉆孔地下水位實測值與計算值對比表

從表中可以看出，數值模擬的計算結果與長觀孔實測值總體上擬合程度較好，在所統計的28個鉆孔中，除了ZK4、ZK9和ZK83這3個鉆的反演值與觀測值稍有誤差，其余25個計算值均與觀測值相近，占89.3%．除去上述3個鉆孔，計算余下鉆孔的標準差

求得標準差為4.52，差值的離散性較小，表明結點虛流量法求解自由面與排水孔邊界直接模擬法的結合能較好地適用于抽水蓄能三維整體滲流場計算．為了能夠更加直觀地反映計算水位值與觀測水位值之間的差距，通過表2繪制了兩者的對比，如圖9所示．

圖9　上庫盆水位計算值與實測平均值對比圖

5　結　語

本文對句容抽水蓄能電站進行了三維整體滲流場有限元計算，對比分析了工程主要建筑物的計算結果，得出以下結論：

1)擬設計的防滲排水措施能夠達到預期效果，上庫盆、地下廠房以及下庫盆這三大區域的水流得到了較好的控制．地下廠房區域滲控設計遵循“堵排結合，堵排并重”原則，防滲排水措施布置嚴密，可以有效地截堵、排泄廠房四周圍巖內外水入滲，確保廠區絕大部分巖體都處在浸潤線以上．

2)在上庫盆區域巖溶較為發育且庫盆四周地下水位均低于正常蓄水位等不利水文地質條件下，上庫盆庫底土工膜和庫岸混凝土面板形成全封閉式防滲結構極大的減弱了庫內蓄水與周圍地下水之間的水力聯系，有效減小了庫盆滲漏量，從而保證庫盆內有充足的水量來維持抽水蓄能電站正常運行．

3)廠房底部存在巖體水流繞滲現象，廠房上、下游側會各出現一個不超過安全位置的自由逸出點，因此廠房實際施工時底板需要澆筑混凝土，從而與外圍防滲帷幕形成一個封閉的防滲體系以截斷繞滲水流．

[1]劉昌軍，王小衛，徐甲存，等．文登抽水蓄能電站地下洞室群復雜滲流場的數值模擬分析[J]．長江科學院院報，2013，04：73-78．

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[3]王珊，姜忠見，任涵璐，等．洪屏抽水蓄能電站地下廠房洞室群滲控措施效果評價[J]．水電能源科學，2013(1)：111-114．

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[責任編輯王康平]

Numerical Simulation and Assessment of Seepage Control Effects of Jurong Pumped Storage Power Station

Jiang Haiyun1Xu Jianfei1Liu Sihong2Zhou Bin2Liao Jie2

(1. Jiangsu Jurong Pumped Storage Co., Ltd., Jurong 212400, China； 2. College of Water Conservancy & Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098， China)

The geological condition of Jurong Pumped Storage Power Station is complex. In order to evaluate its seepage control effects, the seepage characteristics under designed condition are analyzed by using an analytical method which contains the secondary subdivision technology of drain holes and the amended node virtual flow method; and it simulates the complex seepage control measures such as drainage holes. The results show that the intended seepage control measures are playing a controlling role on seepage field of reservoir region and underground powerhouse.

node virtual flow method；drainage holes；Jurong Pumped Storage Station；characteristics of seepage

2016-04-10

蔣海云(1963-)，男，高級工程師，主要研究方向為水電工程建設管理．E-mail：xxuummaa@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.004

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1672-948X(2016)04-0017-06