地下廠房復(fù)雜滲流場數(shù)值分析及工程應(yīng)用

胡建平,劉亞蓮,楊 旭

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院,廣東廣州510635;2.廣東華水建設(shè)工程有限公司,廣東廣州510635)

裂隙巖體由于各種地質(zhì)作用而被尺寸、方向、性質(zhì)各異的裂隙所切割而屬于多相的不連續(xù)介質(zhì),其滲透特性主要取決于巖體結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面的隙寬和粗糙性是影響結(jié)構(gòu)面的滲流特性和力學特性的重要因素[1]。目前裂隙巖體數(shù)值分析模型主要有等效連續(xù)介質(zhì)模型、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和混合模型。等效連續(xù)介質(zhì)模型是裂隙巖體模擬為具有對稱滲透張量的各向異性連續(xù)體利用連續(xù)介質(zhì)理論進行分析,理論基礎(chǔ)較成熟,但裂隙密度較小時真實性難以保證;離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型以每條裂隙為研究對象利用各裂隙交叉點流量相等的原理進行水力計算,由于裂隙分布具有隨機性,裂隙較多時,真實裂隙系統(tǒng)很難模擬,工程中應(yīng)用較少;混合模型是將等效連續(xù)介質(zhì)模型和離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合,即對于裂隙密度較小的區(qū)域采用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型,對于裂隙密度大的區(qū)域采用等效連續(xù)介質(zhì)模型。地下廠房一般建在裂隙巖體中的,其滲流場屬于巖體滲流。本文采用等效-離散耦合模型,結(jié)合固定網(wǎng)格結(jié)點虛流量法及改進的排水子結(jié)構(gòu)技術(shù)[2],以某抽水蓄能電站地下廠房為例,對裂隙巖體中地下廠房復(fù)雜滲流場進行分析,并對滲控措施的效果進行評價,為地下廠房滲流控制設(shè)計提供科學依據(jù)。

1 計算方法

由Darcy定律得非均質(zhì)各向異性多孔隙介質(zhì)中的穩(wěn)定飽和滲流連續(xù)微分控制方程為:

其中:xi,xj為坐標,i,j=1,2,3;kij為達西滲透系數(shù)張量,描述巖體的透水能力和滲透各向異性特性,當用不同的坐標系時它的6個獨立的滲透系數(shù)元素大小是不同的;h=z+p/r,為總水頭,z為位置水頭,p/r為壓力水頭;Q是源或匯項。

若已知式(1)滲流問題的實際滲流域大小,則據(jù)變分原理,式(2)和式(3)分別為上述問題的求解泛函和有限單元法代數(shù)方程,式(2)的解{h1}即為滲流場的解。

其中:Π(h)為泛函;Ω1為滲流實域;[k1],{h1}和{Q1}分別為滲流實域的總矩陣,結(jié)點水頭列陣和結(jié)點等效流量列陣。

有自由面滲流問題的求解中最早是用變網(wǎng)格迭代法[3],這種方法由于計算網(wǎng)格的不停變動,使計算工作量增加。自1973年Neuman首次提出用不變網(wǎng)格求解有自由面問題的滲流場以來,基于固定網(wǎng)格的自由面數(shù)值模擬方法研究及其應(yīng)用發(fā)展迅速[4-6]。本文采用的基于固定網(wǎng)格的結(jié)點虛流量法,是目前求解這類問題最有效最穩(wěn)定的算法之一。用該法計算時,取計算域大于真實滲流域,定義計算域中位于滲流自由面以上的區(qū)域為滲流虛域,位于自由面以下的區(qū)域為滲流實域,實域和虛域中的單元相應(yīng)地稱為實單元和虛單元,被自由面穿過的單元為過渡單元,自由面可能所在的區(qū)域為滲流過渡域。在解題過程中通過迭代的方法,不斷地消除滲流虛域與虛單元以及過渡單元中虛域的影響,從而得到問題的真解,該法的有限元解題基本迭代格式為:

其中:[k]、{h}和{Q}分別為計算域 Ω=Ω1+Ω2(Ω2為位于滲流自由面以上的滲流虛域)時的總傳導(dǎo)矩陣、結(jié)點水頭列陣和已知結(jié)點水頭對計算域貢獻的流量列陣;{Q2}為已知結(jié)點水頭對虛域貢獻的流量列陣;{Δ Q}為滲流虛域中虛單元和過渡單元所貢獻的結(jié)點虛流量列陣;[k2]為滲流虛域的傳導(dǎo)矩陣。

對于有密集排水孔幕的滲流場分析計算,排水孔幕的準確精細模擬至關(guān)重要,本文采用朱岳明[7]等(1997)提出的改進排水子結(jié)構(gòu)法。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某抽水蓄能電站主要建筑物有上水庫及攔河壩、引水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫及攔河壩等。上水庫攔河壩為鋼筋混凝土面板堆石壩,下水庫攔河壩為碾壓混凝土重力壩。引水系統(tǒng)由引水隧洞、高壓隧洞、高壓岔管、尾水岔管和尾水隧洞組成。高壓隧洞及高壓岔管均采用40 cm～60 cm厚的鋼筋混凝土襯砌,襯砌后內(nèi)徑3.5 m～8.5 m。地下廠房布置在引水系統(tǒng)中部,埋深350 m～380 m,開挖規(guī)模(長×寬×高)152.0 m×22.0 m×47.64 m,采用噴錨作為永久支護和巖錨吊車梁[8]。如圖1、圖2所示。

圖1 工程樞紐布置圖

圖2 引水系統(tǒng)剖面圖(單位:m)

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以斷裂為主,在巖體中共發(fā)育有6組斷層裂隙,以NW、NNW 和NNE三組最發(fā)育,其中以NW向斷層規(guī)模較大,延伸較長,如圖3。

圖3 地質(zhì)縱剖面圖

地下水類型主要為基巖裂隙水,據(jù)觀測資料,地下水位埋深一般在10 m～30 m,靠近沖溝更淺。

2.2 滲控措施布置[9]

2.2.1 廠外防滲帷幕設(shè)計

在主廠房和主變洞的上游側(cè)及左、右側(cè)設(shè)置一道近“U”型的防滲帷幕。每條引水隧洞在進廠房洞室前為鋼板襯砌段,其首部設(shè)置環(huán)形阻水灌漿帷幕并與防滲帷幕中心重合。防滲帷幕灌漿孔2排,排距2 m,孔距3m。環(huán)形阻水灌漿帷幕在隧洞頂部范圍灌漿孔5排,排距1.5 m,孔距1 m,孔深6 m;在隧洞底部范圍灌漿孔3排,排距1.5 m,孔距1 m,孔深6 m。

2.2.2 排水系統(tǒng)設(shè)計

廠外排水系統(tǒng)由主探洞、南支探洞、岔管頂探洞以及貫通主探洞和岔管頂探洞與高壓引水鋼支管軸線平行的兩條新開的排水洞1、排水洞2、排水洞3作為排水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的排水廊道,如圖4所示。

排水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表1。

圖4 地下洞室排水系統(tǒng)圖

在廠房洞室及主變洞室等的邊墻和頂拱布置排水孔,排水孔孔徑48 mm,孔距4.5 m、孔深5 m。將滲水引至底層,經(jīng)通道、埋管等廠內(nèi)排水網(wǎng)絡(luò),最終匯集滲入滲漏集水井,再用深井泵抽排出廠外,形成廠內(nèi)排水系統(tǒng)。

2.3 計算模型及單元網(wǎng)格

2.3.1 計算參數(shù)的確定

根據(jù)圍巖滲透試驗成果及回歸分析,圍巖的滲透系數(shù)與地應(yīng)力關(guān)系如下:

Ⅱ類圍巖:

斷層區(qū)域的主滲方向:

斷層區(qū)域的非主滲方向:

式中:kr為圍巖或斷層的滲透系數(shù)(cm/s);σ為垂直方向的地應(yīng)力(在山體地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主的情況下,σ為最大地應(yīng)力);

混凝土的滲透系數(shù)為:主滲方向(沿徑向開裂方向)kc=1×10-7(cm/s);非主滲方向kc=5×10-8(cm/s);防滲帷幕區(qū)單元的滲透系數(shù)為2.36×10-6(cm/s)。

表1 排水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2.3.2 計算域范圍及邊界條件

計算范圍:上游取上庫外側(cè),下游取下庫外側(cè),左側(cè)取至引水隧洞以左500 m為界,右側(cè)取距引水隧洞右側(cè)500 m為界,鉛直向上取至原地面,鉛直向下取至離廠房洞室約200 m處。

邊界條件取為:上下游垂直面和底面均為不透水面;左右山體岸坡側(cè)面結(jié)點水頭取為地質(zhì)剖面上地下水自由面高程;上游取上庫水位高程;下游取下庫水位高程;上庫至下庫的地表面為滲流可能逸出面,實際逸出點須迭代計算中才能確定。排水孔內(nèi)邊界為可能逸出面,但最底層排水孔幕中內(nèi)壁面為已知水頭面,且當排水孔自由面高程低于這一排水孔頂端面的位置時,排水孔視為失效;排水廊道、引水隧洞為排水面,廠房、尾閘室及尾水洞周壁面為滲流可能逸出面。

2.3.3 計算模型及網(wǎng)格剖分

計算中每個排水子結(jié)構(gòu)沿排水孔幕的縱向分別采用了3孔和5孔方案。防滲帷幕在剖分網(wǎng)格時也作為子結(jié)構(gòu)進行處理。圖5為其空間透視圖。

圖5 空間透視圖

2.4 計算結(jié)果分析

通過計算,3孔排水子結(jié)構(gòu)方案和5孔排水子結(jié)構(gòu)方案計算結(jié)果相近,為減少篇幅,下面僅對3孔方案計算結(jié)果進行分析。

本次計算共進行了5個工況的三維整體滲流場計算,工況1為初期充水、機組調(diào)試、試運行;工況 2為放空檢查、驗收水道;工況3為再充水、電站正式投入運行;工況4為放空檢修引水支管鋼襯灌漿孔封焊缺陷;工況5為再充水繼續(xù)投入運行。各工況滲流場等水頭線分布見圖6～圖10。

圖6 工況1時垂直剖面滲流場等水頭線分布圖

圖7 工況2時垂直剖面滲流場等水頭線分布圖

從工況1～工況5計算結(jié)果中看出,滲流控制措施使得洞室群廠區(qū)的滲流特性得到了良好的控制,從垂直剖面滲流場等水頭分布圖上可以清晰地看到在灌漿帷幕與外排水幕之間,等水頭線密集,地下水出現(xiàn)急變區(qū),在外排水幕之后,地下水位變得平緩,在廠房、主變室區(qū)出現(xiàn)很大范圍的疏干區(qū),即因滲流入滲能力遠小于排水設(shè)施排水能力而形成了滲流水頭損失的集中區(qū),所以浸潤線到達帷幕后發(fā)生驟降。滲流自由面得到的降低,對廠區(qū)及主要洞室圍巖的穩(wěn)定性也起到了很好的減壓作用。

圖8 工況3時垂直剖面滲流場等水頭線分布圖

圖9 工況4時垂直剖面滲流場等水頭線分布圖

圖10 工況5時垂直剖面滲流場等水頭線分布圖

3 結(jié) 論

巖體裂隙滲流是造成許多巖體工程事故的主要因素之一。地下廠房的滲流問題不僅涉及到飽和-非飽和滲流場問題,還涉及到裂隙巖體的滲流問題,其滲流問題幾乎是所有水利工程滲流問題中最復(fù)雜的一種。地下廠房的防滲排水設(shè)計是工程安全的關(guān)鍵,本文采用裂隙巖體等效-離散耦合模型,結(jié)合固定網(wǎng)格結(jié)點虛流量法及改進的排水子結(jié)構(gòu)技術(shù)對某抽水蓄能電站裂隙巖體復(fù)雜滲流場進行了分析,對滲流控制設(shè)計進行了評價,計算結(jié)果表明地下廠房滲控設(shè)計方案是合理可行的。

[1] 朱岳明.裂隙巖體滲流研究述評[J].河海科技進展,1991,11(2):16-25.

[2] 朱岳明,陳震雷,吳 忄音,等.改進排水子結(jié)構(gòu)法求解地下廠房洞室群區(qū)的復(fù)雜滲流場[J].水利學報,1996,(9):79-85.

[3] 朱伯芳.有限元原理及其應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,1998:258-260.

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[5] 吳夢喜,張學勤.有自由面滲流分析的虛單元法[J].水利學報,1994,(8):67-71.

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[8] 葉 冀.廣蓄電站水工高壓隧洞設(shè)計施工的若干問題[J].水力發(fā)電學報,1998,(2):38-49.

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