某抽水蓄能電站地下廠房不同情況下排水量數(shù)值模擬

陳立強(qiáng)

（福建華東巖土工程有限公司，福建 福州 350003）

1 基本地質(zhì)條件

某抽水蓄能電站位于江蘇省境內(nèi)，發(fā)電規(guī)模130萬KW。工程部位由上水庫(kù)、引水發(fā)電系統(tǒng)及下水庫(kù)等樞紐部分構(gòu)成。上水庫(kù)主壩壩體最高處183.5m，總體庫(kù)水容量為1703萬m3；下水庫(kù)壩體最高處為33.4m，總體庫(kù)水容量為1676萬m3。工程場(chǎng)地位于通濟(jì)河支流～洛陽河的上游，觀音山北側(cè)山脊上。為一沖積溝源，四周山脊由東北逆時(shí)針向南環(huán)繞成呈近圓形，盆底小沖溝發(fā)育，地勢(shì)不平，高程在100～140m左右，沖溝向東南側(cè)延伸，高程在90～100m，壩址處溝谷呈寬緩的 “V”字型；下水庫(kù)位于侖山水庫(kù)上游姊妹橋溪高家邊村至上孟村之間的河段，水庫(kù)區(qū)長(zhǎng)約2km，南岸山體雄厚，北岸地形低緩，輸水線路由上水庫(kù)北東側(cè)山體穿過侖山主峰后直達(dá)下水庫(kù)南岸，沿線山體寬厚。工程場(chǎng)地地層復(fù)雜，主要有震旦系燈影組葡萄狀構(gòu)造細(xì)晶白云巖、寒武系幕府山組具磷臭味含磷白云巖、炮臺(tái)山組薄層的泥質(zhì)白云巖、觀音臺(tái)群含燧石結(jié)核的硅質(zhì)白云巖、奧陶系含燧石條帶灰?guī)r、龜裂紋狀灰?guī)r，二疊系棲霞組具臭雞蛋味的臭灰?guī)r、龍?zhí)督M炭質(zhì)泥巖、不純灰?guī)r、白堊系楊沖組粉砂巖、上黨組的粗面巖等。工程區(qū)位于寧鎮(zhèn)山脈湯山—侖山復(fù)背斜東段核部，構(gòu)造發(fā)育，其中斷裂F7、F8分布在上水庫(kù)，斷裂F9分布下水庫(kù)壩址右岸，斷裂F12分布在下水庫(kù)南岸及庫(kù)盆，輸水系統(tǒng)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(qū)域性斷裂F8、F9、F12所圍成的塊體內(nèi)。研究區(qū)內(nèi)地層分為中、弱、微三個(gè)發(fā)育強(qiáng)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(fā)育強(qiáng)度，以溶蝕裂隙、溶溝（溶槽）、溶洞或?qū)捒p型溶蝕裂隙為主，發(fā)育有巖溶管道；地下廠房出露的巖性為含磷白云巖、細(xì)晶白云巖，屬于純碳酸鹽巖巖組，巖溶發(fā)育強(qiáng)度中等，侵入有約26條巖脈，接觸帶溶蝕強(qiáng)裂，圍巖均為微風(fēng)化～新鮮，巖質(zhì)堅(jiān)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?dāng)嗔鸦驇r脈旁側(cè)可能出現(xiàn)短時(shí)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(jì)算模型邊界及工程措施計(jì)算組合

2.1 巖體滲透系數(shù)的確定

關(guān)于巖體滲透系數(shù)張量的確定方法，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)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(tǒng)計(jì)法、第二類方法——抽水試驗(yàn)法、第三類方法——壓水試驗(yàn)法和第四類——數(shù)值反演法[1-2]。

不同的方法適合于不同的水文地質(zhì)條件和實(shí)際工程情況。第一類方法是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，根據(jù)巖體裂隙結(jié)構(gòu)面的幾何測(cè)量值，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算巖體的滲透系數(shù)張量。該方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，但要在實(shí)際巖體中采集準(zhǔn)確的節(jié)理結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、寬度、長(zhǎng)度等幾何參數(shù)難度很大或者根本無法精確測(cè)量，近似的斷層、裂隙面幾何參數(shù)測(cè)量值會(huì)帶來相對(duì)粗糙的計(jì)算結(jié)果。第二類方法是基于解析解方法，對(duì)實(shí)際抽水試驗(yàn)資料進(jìn)行匯總確定巖體滲透系數(shù)張量?；诮馕龇ǖ母鞣N抽水試驗(yàn)方法雖然數(shù)學(xué)推導(dǎo)理論嚴(yán)密，但對(duì)水文地質(zhì)邊界條件的要求均嚴(yán)格，必須是均質(zhì)的含水層巖體。對(duì)于非均質(zhì)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(yàn)一般而言可以在任意巖層實(shí)施，試驗(yàn)成果較為客觀、可信，確定的巖體滲透系數(shù)比較準(zhǔn)確。但往往受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，一般試驗(yàn)人為因素影響較大，專門性的壓水試驗(yàn)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(jié)合地質(zhì)鉆孔進(jìn)行。第四類數(shù)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(shí)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)信息擬合，而獲得的參數(shù)。它雖不全等于實(shí)際巖體滲透參數(shù)，但反映了整個(gè)研究區(qū)巖體水力學(xué)特征。該方法的關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)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(zhì)的參數(shù)和提高求解精度，要求在研究區(qū)域布置較多數(shù)量的地下水長(zhǎng)期觀測(cè)孔、且分布合理，有長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料[3-6]。

表1 計(jì)算范圍內(nèi)各分區(qū)巖體透水性

本文為了達(dá)到較高的計(jì)算精度，采用壓水試驗(yàn)方法來確定相關(guān)巖體的滲透系數(shù)。按巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征和風(fēng)化特點(diǎn)，將研究范圍內(nèi)的巖體在垂直方向上分為三個(gè)區(qū)，自上而下依次為Ⅰ區(qū)-全強(qiáng)風(fēng)化區(qū)、Ⅱ區(qū)-弱風(fēng)化區(qū)和Ⅲ區(qū)-微新風(fēng)化區(qū)。（1）Ⅰ區(qū)透水率為38.2Lu，換算成滲透系數(shù)為0.42m/d；（2）Ⅱ區(qū)透水率為4.5Lu，換算成滲透系數(shù)為0.048m/d；（3）Ⅲ區(qū)透水率取1.0Lu，換算成滲透系數(shù)為0.010m/d。在地下洞室群周邊設(shè)置防滲灌漿帷幕。由于研究區(qū)NW向裂隙較NE向裂隙發(fā)育，所以計(jì)算時(shí)把NW向巖體的滲透系數(shù)換算成為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍，其總的大小不變。計(jì)算中各區(qū)的滲透系數(shù)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(shí)，以地下洞室群為主，同時(shí)考慮地貌條件、地質(zhì)條件和有利于邊界條件的確定。正北方向?yàn)閤軸；正西方向?yàn)閥軸；垂直向上為z軸。研究區(qū)三維剖分網(wǎng)格圖如圖2，上水庫(kù)、下水庫(kù)庫(kù)盆處作為第一類邊界，上水庫(kù)庫(kù)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(jì)算時(shí)，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(shù)取10-5cm/s。研究范圍共剖分了20096個(gè)節(jié)點(diǎn)，18750個(gè)單元。

圖2 研究范圍剖分圖

2.3 工程措施組合

結(jié)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(shè)施，自然狀態(tài)和蓄水工況等共計(jì)算了12種組合。

組合1：上水庫(kù)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合2：上水庫(kù)未蓄水；灌漿帷幕已建成，灌漿帷幕的滲透系數(shù)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合3：上水庫(kù)未蓄水；有排水洞，且設(shè)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合4：上水庫(kù)未蓄水；灌漿帷幕和排水洞均已完成，灌漿帷幕的滲透系數(shù)為10-5cm/s，設(shè)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合5：上水庫(kù)已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫(kù)蓄水至268m高程；灌漿帷幕已建成，灌漿帷幕的滲透系數(shù)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合6：上水庫(kù)已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫(kù)蓄水至268m高程；排水洞已建成，設(shè)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合7：上水庫(kù)已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫(kù)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合8：上水庫(kù)已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫(kù)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(kù)已建成，土工膜和防滲面板正常，水庫(kù)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合10：上水庫(kù)已建成，土工膜和防滲面板均失效，它們的透水性均擴(kuò)大到4倍，上水庫(kù)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合11：上水庫(kù)已建成，土工膜和防滲面板均失效，它們的透水性均擴(kuò)大到10倍，水庫(kù)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

組合12：上水庫(kù)已建成，土工膜和防滲面板均失效，它們的透水性均擴(kuò)大到20倍，水庫(kù)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(shù)為NE向巖體滲透系數(shù)的2倍。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

不同組合下地下洞室群的滲漏量計(jì)算成果見表2，自由面等值線圖見圖3。

表2 不同計(jì)算組合地下廠房排水量表

3.1 灌漿帷幕對(duì)滲漏量的影響

在自然狀態(tài)下，無灌漿帷幕（組合3）時(shí)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(shí)，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(kù)設(shè)計(jì)水位后，水庫(kù)的防滲措施正常的情況下，無灌漿帷幕（組合6）時(shí)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(shí)，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(shè)置灌漿帷幕是非常必要的。但是應(yīng)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(duì)滲水量的影響

在自然狀態(tài)下，無排水洞（組合2）時(shí)，地下洞室群的滲水量為1589.6 m3/d；而有排水洞（組合4）時(shí)，地下洞室群的滲水量為403.7m3/d。在上水庫(kù)達(dá)設(shè)計(jì)水位后，水庫(kù)的防滲措施正常的情況下，無排水洞（組合5）時(shí)，地下洞室群的滲水量為1620.6m3/d；而有排水洞（組合9）時(shí)，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(zhì)對(duì)滲水量的影響

由于巖體中大量發(fā)育斷層、巖脈和溶蝕裂隙，特別是陡傾角結(jié)構(gòu)面，使得巖體具有非均質(zhì)各向異性的特點(diǎn)。所以又作了巖體各向異性的程度對(duì)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(rèn)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(diǎn)對(duì)地下洞室群處排水洞的影響非常顯著，陡傾角節(jié)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(kù)庫(kù)盆防滲失效對(duì)滲水量的影響

為了比較上水庫(kù)盆防滲失效對(duì)地下廠房處排水洞和地下洞室群滲水量的影響，分別計(jì)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(jié)論

研究表明，上水庫(kù)庫(kù)盆防滲效果對(duì)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(kù)內(nèi)未發(fā)育通向地下洞室群的滲漏通道前題下，進(jìn)行專門的上水庫(kù)防滲對(duì)地下洞室群滲水量的影響不大。如查發(fā)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(huì)增大，因此建議對(duì)上水庫(kù)庫(kù)盆進(jìn)行全面的防滲處理。

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