地下廠房圍巖滲控效應(yīng)精細(xì)模擬與評(píng)價(jià)

鄭華康，陳益峰，洪佳敏，周 嵩，周創(chuàng)兵

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

地下廠房圍巖滲控效應(yīng)精細(xì)模擬與評(píng)價(jià)

鄭華康1,2，陳益峰1,2，洪佳敏1,2，周 嵩1,2，周創(chuàng)兵1,2

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

我國(guó)西南地區(qū)河谷深切，壩址區(qū)地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜，地下廠房的位置往往離庫(kù)區(qū)較近，水庫(kù)蓄水后，地下廠房圍巖滲流特性將成為影響工程安全和正常運(yùn)行的重要因素之一．為減小廠區(qū)滲漏并改善廠房圍巖的滲透穩(wěn)定性，工程設(shè)計(jì)采取防滲帷幕、排水孔幕和排水廊道等滲流控制措施．采用子結(jié)構(gòu)、變分不等式和自適應(yīng)罰函數(shù)相結(jié)合的方法(簡(jiǎn)稱(chēng) SVA方法)，開(kāi)展了牙根二級(jí)水電站廠區(qū)整體三維滲流場(chǎng)分析，評(píng)價(jià)了廠區(qū)圍巖滲流控制方案的合理性，并論證其優(yōu)化的可能性．研究結(jié)果表明：廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)的滲流控制效果顯著，防滲排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案總體上是合理、有效的；廠區(qū)上部排水系統(tǒng)對(duì)于以庫(kù)水滲漏為主的滲流控制不起作用，高高程排水孔幕的間距可適當(dāng)放寬；廠區(qū)副排水孔幕對(duì)減少?gòu)S區(qū)各洞室滲漏量、降低廠區(qū)圍巖孔隙水壓力并改善圍巖的穩(wěn)定性具有顯著作用．

地下廠房；滲流控制；排水孔幕；SVA方法；精細(xì)模擬；牙根二級(jí)水電站

我國(guó)西南地區(qū)河谷深切，壩址區(qū)地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜，地下廠房的位置往往離庫(kù)區(qū)較近，水庫(kù)蓄水后，地下廠房圍巖滲流特性將成為影響工程安全和正常運(yùn)行的重要因素之一．工程中常采用防滲帷幕、排水孔幕和排水廊道等滲流控制措施，減小廠區(qū)滲漏并改善廠房圍巖的滲透穩(wěn)定性．為評(píng)價(jià)地下廠房圍巖滲流控制方案的合理性，并論證其優(yōu)化的可能性，需要對(duì)防滲、排水系統(tǒng)的滲流控制效應(yīng)進(jìn)行精細(xì)的模擬．

廠區(qū)圍巖滲流分析有飽和/非飽和滲流分析方法和僅考慮飽和區(qū)滲流的穩(wěn)定/非穩(wěn)定滲流分析方法．非穩(wěn)定滲流分析避免了巖體土水特性曲線及非飽和滲流參數(shù)測(cè)定難題，且對(duì)水庫(kù)蓄水及運(yùn)行過(guò)程中廠區(qū)圍巖滲流場(chǎng)的演化規(guī)律具有較好的描述能力．然而，當(dāng)廠區(qū)的滲控效應(yīng)評(píng)價(jià)以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行為主要目標(biāo)且地質(zhì)條件較為明確時(shí)，非穩(wěn)定滲流分析可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為穩(wěn)定滲流分析．

對(duì)于含復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)的滲流問(wèn)題，有限元數(shù)值分析方法數(shù)值模擬的難度主要有以下兩點(diǎn)：一是滲流場(chǎng)的精確模擬問(wèn)題；二是排水孔幕的精細(xì)模擬問(wèn)題．前者涉及滲流溢出邊界和自由面的確定，主要有剩余流量法[1]、初流量法[2-3]、滲透系數(shù)調(diào)整法[4]和節(jié)點(diǎn)虛流量法[5]等直覺(jué)化方法以及理論基礎(chǔ)更為嚴(yán)格的變分不等式方法．其中，Zheng等[6]建立的 Signorini型變分不等式提法在理論上消除了溢出點(diǎn)的奇異性和由此引起的網(wǎng)格依賴(lài)性，對(duì)于無(wú)壓滲流問(wèn)題的精確求解具有明顯的優(yōu)越性．后者涉及排水孔幕結(jié)構(gòu)及其邊界條件在有限元模型中的正確表征，數(shù)值模擬方法很多，包括滲透特性等效模擬方法[7]、排水子結(jié)構(gòu)法[8-9]、雜交元法[10]、“以溝代井列”法[11]、半解析法[12]、“以管代孔”法[13]、“以縫代井列”法[14]和復(fù)合單元法[15]等，但除了排水子結(jié)構(gòu)法之外，上述方法均或多或少對(duì)排水孔的邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，從而影響了解的嚴(yán)密性．

本文采用子結(jié)構(gòu)、Signorini型變分不等式和自適應(yīng)罰Heaviside函數(shù)相結(jié)合的方法(簡(jiǎn)稱(chēng)SVA方法[16])評(píng)價(jià)牙根二級(jí)水電站廠區(qū)圍巖的滲流控制效應(yīng)．SVA方法在一定程度上簡(jiǎn)化了排水孔幕的有限元建模，并有效克服了強(qiáng)邊界非線性滲流問(wèn)題的網(wǎng)格依賴(lài)性和數(shù)值不穩(wěn)定性．通過(guò)建立廠區(qū)整體三維有限元模型，論證分析了廠區(qū)防滲、排水措施的合理性及進(jìn)一步優(yōu)化的可能性，為工程建設(shè)提供了合理的建議．

1 滲流分析理論

根據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理，穩(wěn)定滲流控制微分方程為

式中：h為水頭；ijk為滲透張量．式(1)應(yīng)滿(mǎn)足如下邊界條件．

(1) 水頭邊界條件

式中：Γh為已知水頭邊界；h為已知水頭．

(2) 流量邊界條件

式中：qΓ 為已知流量邊界；nq為邊界流量(滲入為負(fù)，溢出為正)；jn為邊界面單位外法向向量．對(duì)于隔水邊界，qn=0．

(3) 自由面邊界條件

式中fΓ為自由面邊界．

(4) 溢出面邊界條件

式中sΓ為溢出面邊界．

根據(jù)式(1)和式(4)，陳益峰等[17]證明了穩(wěn)定滲流自由面具有如下基本幾何性質(zhì)，即穩(wěn)定滲流自由面在任一均勻介質(zhì)內(nèi)部必連續(xù)光滑、且單調(diào)下降，除非自由面穿過(guò)滲透性相差懸殊的兩種介質(zhì)之間的界面．這一性質(zhì)可為滲流場(chǎng)計(jì)算成果的合理性判別提供直觀的理論依據(jù)．

滲流運(yùn)動(dòng)在本質(zhì)上受地下水的質(zhì)量守恒方程和線性動(dòng)量守恒方程控制，但其演化過(guò)程同時(shí)受初始狀態(tài)、邊界條件和介質(zhì)特性的制約．從物理機(jī)制上看，滲流控制可歸結(jié)為初始狀態(tài)控制、耦合過(guò)程控制、介質(zhì)特性控制和邊界條件控制4類(lèi)[18-19]．在地下廠房圍巖滲流控制措施中，防滲帷幕屬于介質(zhì)特性控制的范疇；而排水孔幕、排水廊道則屬于邊界條件控制，其邊界條件有水頭邊界條件、Signorini型潛在溢出邊界條件及二者的混合邊界條件3類(lèi)[16]．

上述問(wèn)題可采用 SVA方法求解．算法的具體實(shí)現(xiàn)可參閱文獻(xiàn)[16]．

2 計(jì)算模型

2.1 工程概況

牙根二級(jí)水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，上游與牙根一級(jí)水電站銜接，下游與規(guī)劃的楞古水電站銜接，水庫(kù)正常蓄水位2,560.0,m，調(diào)節(jié)庫(kù)容約 0.16億 m3．其擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高 120.0,m；引水發(fā)電系統(tǒng)由引水洞、地下廠房、尾水洞等地下洞室群組成，電站裝機(jī)容量 1,080,MW．地下廠房主要由主副廠房、主變洞、尾水調(diào)壓室等 3大洞室組成，其設(shè)計(jì)開(kāi)挖尺寸(長(zhǎng)×寬×高)分別為：216.80,m×26.80,m× 67.30,m，185.10,m×18.30,m×22.90,m，179.00,m× 22.50,m×77.00,m．

地下廠房洞室圍巖為二長(zhǎng)花崗巖，巖體完整性較好，斷層和裂隙發(fā)育主要以 NE向?yàn)橹?，斷層主要表現(xiàn)為擠壓逆沖及平移性質(zhì)，帶寬均小于 0.9,m．地下廠房防滲排水工程由防滲帷幕、排水孔幕和排水廊道等組成．為利于聯(lián)合防滲，節(jié)約工程量，大壩左岸帷幕灌漿與地下廠房的帷幕灌漿相連構(gòu)成統(tǒng)一的防滲體系．在距廠房邊墻 50,m處設(shè)置防滲帷幕，平行布置于廠房上游并延伸至尾水調(diào)壓室下游側(cè)．排水廊道分 3層布置，上層排水廊道位于廠房頂部圍巖中，其底板高程為2,508.5～2,514.0,m；中、下2層排水廊道位于廠房四側(cè)圍巖中，底板高程分別為 2,474.5～2,480.0,m和 2,444.5～2,450.0,m．排水孔幕沿排水廊道軸線方向布置，間距為 3,m，各層排水廊道通過(guò)垂直排水孔幕連接，形成排水系統(tǒng)．其中，防滲帷幕后設(shè)置兩層副排水孔幕，廠房圍巖中設(shè)置3層主排水孔幕．地下廠房防滲排水系統(tǒng)示意如圖1所示．

圖1 地下廠房防滲排水系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch of seepage control system of the underground powerhouse

2.2 有限元模型

為滿(mǎn)足計(jì)算分析的需要，根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和樞紐布置等基本資料，建立了廠區(qū)整體三維有限元模型，較嚴(yán)格地模擬了廠區(qū)各地層結(jié)構(gòu)和地下洞室.

廠區(qū)整體三維有限元網(wǎng)格如圖2所示，共劃分單元 1,235,646個(gè)，節(jié)點(diǎn) 537,394個(gè)，模型計(jì)算范圍為：取上游側(cè)邊界距輸水系統(tǒng)進(jìn)水口約 550,m，下游側(cè)取至電站尾水出口下游延伸 450,m；左、右岸山體地下水各有其賦存特征，二者以河床作為水力聯(lián)系的紐帶，因此為了反映實(shí)際水文地質(zhì)特征并減小模型規(guī)模，選取河床中心線作為模型的右側(cè)邊界；模型最低高程取正常蓄水位 2,560.0,m以下 570,m；整個(gè)計(jì)算模型上下游邊界相距約 1,600,m，左右邊界相距約750,m，模型最低高程為1,990.0,m．

圖2 廠區(qū)整體三維有限元網(wǎng)格Fig.2 3D FE meshes of the whole underground powerhouse area

2.3 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

根據(jù)地質(zhì)概化和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，各地層以及滲控結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)取值如表1所示．

表1 滲透系數(shù)取值Tab.1 Values of seepage coefficients

滲流分析的邊界條件如下：大壩上游庫(kù)水淹沒(méi)區(qū)及引水隧洞混凝土襯砌部分取定水頭邊界，水頭值為2,560.0,m；大壩下游河道及尾水隧洞取定水頭邊界，水頭值為 2,483.8,m；模型左側(cè)邊界位于左岸山體中，取定水頭邊界，水頭值根據(jù)初始滲流場(chǎng)反演分析結(jié)果取 2,596.0,m．引水隧洞的鋼襯部分取隔水邊界；上、下游側(cè)面邊界和底部邊界取隔水邊界．模型上表面除庫(kù)水淹沒(méi)區(qū)之外區(qū)域、各洞室、廊道的邊界以及排水孔幕均設(shè)為潛在溢出邊界．

3 計(jì)算成果分析

3.1 廠區(qū)典型剖面滲流場(chǎng)分析

在水庫(kù)正常運(yùn)行工況下，廠房機(jī)組段橫剖面的等水頭線如圖 3所示．在上游側(cè)，滲流自由面在防滲帷幕處急劇下降，穿過(guò)廠房圍巖下層排水廊道，在機(jī)組段邊墻底部溢出．在下游側(cè)，滲流自由面穿過(guò)尾水調(diào)壓室，并在機(jī)組段邊墻底部溢出；主變洞完全位于自由面之上，不存在滲流溢出．

圖3 廠房機(jī)組段橫剖面等水頭線(單位：m)Fig.3 Water head isolines of the unit cross section of the underground powerhouse(Unit：m)

主副廠房中心縱剖面的等水頭線如圖4所示．在靠近山體側(cè)，滲流自由面在防滲帷幕處急劇下降，穿過(guò)廠房圍巖下層排水廊道，在安裝場(chǎng)邊墻底部溢出．在靠近河道側(cè)，滲流自由面穿過(guò)廠房圍巖中層排水孔幕，并在副廠房邊墻底部溢出．

圖4 主副廠房中心縱剖面等水頭線(單位：m)Fig.4 Water head isolines of the longitudinal section of the main powerhouse(Unit：m)

廠區(qū)主排水孔幕中心縱剖面的壓力水頭等值線如圖 5所示．滲流自由面在左岸山體圍巖中持續(xù)降低，降低幅度相對(duì)平緩，在防滲帷幕附近，滲流自由面下降趨勢(shì)顯著增大，穿過(guò)第2層主排水孔幕底部，在第3層排水廊道溢出．滲流自由面在靠近河道側(cè)圍巖中平緩降低，在主排水孔幕附近下降趨勢(shì)增大，穿過(guò)第2層主排水孔幕底部，在第3層排水廊道溢出．

由圖3～圖5可見(jiàn)，排水孔幕均導(dǎo)致地下廠房圍巖中的地下水滲流形成明顯的降落漏斗，廠房中上部圍巖基本上處于干燥或非飽和滲流狀態(tài)，地下水得到有效控制，表明排水孔幕等滲控措施設(shè)計(jì)合理，布置得當(dāng)，排水降壓效果顯著．

此外，圖 3～圖 5還表明，當(dāng)電站進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段時(shí)，位于自由面之上的排水系統(tǒng)對(duì)于以庫(kù)水滲漏為主的滲流控制不起作用，但對(duì)降雨補(bǔ)給及廠區(qū)上部可能存在的局部承壓水和上層滯水的疏導(dǎo)和排干仍起重要作用．由于這部分水量相對(duì)分散、流量較小，因此高高程排水孔幕的間距可適當(dāng)放寬．

廠區(qū)2,447.0,m高程平切面滲流的等水頭線如圖6所示．水頭等值線在遠(yuǎn)離地下廠房處分布較為稀疏，在副排水孔幕處分布較為密集，并在廠房洞室附近形成一個(gè)明顯的低水頭區(qū)．表明排水孔幕可有效降低孔隙水壓力，從而減小廠房各洞室的入滲水量．

圖5 廠區(qū)主排水孔幕中心縱剖面壓力水頭等值線(單位：m)Fig.5 Pore pressure isolines of the longitudinal section of the main drainage hole arrays in the underground powerhouse area(Unit：m)

圖6 廠區(qū)2,447.0,m高程平切面滲流等水頭線(單位：m)Fig.6 Water head isolines of the horizontal section of the underground powerhouse area at the elevation of 2,447.0,m(Unit：m)

3.2 廠區(qū)副排水孔幕滲控效應(yīng)分析

在水庫(kù)正常運(yùn)行工況下，針對(duì)廠區(qū)防滲帷幕后設(shè)置副排水孔幕與不設(shè)置副排水孔幕兩種情況，開(kāi)展廠區(qū)副排水孔幕滲流控制效應(yīng)的分析研究．

廠房機(jī)組段橫剖面和主副廠房中心縱剖面的自由面對(duì)比分別如圖7和圖8所示．當(dāng)防滲帷幕后不設(shè)置副排水孔幕時(shí)，滲流自由面在左岸山體圍巖中明顯抬升，特別是在防滲帷幕之后、主排水孔幕之前，兩者差距更加顯著，穿過(guò)主排水孔幕后，兩者差別減小，均在廠房邊墻底部溢出；在靠近河道側(cè)的圍巖中，滲流自由面略有抬升，但差別較?。?/p>

圖7 廠房機(jī)組段橫剖面的自由面對(duì)比Fig.7 Comparison of free surfaces of the unit cross section of the underground powerhouse

圖8 主副廠房中心縱剖面的自由面對(duì)比Fig.8 Comparison of free surfaces of the longitudinal section of the main powerhouse

針對(duì)防滲帷幕后副排水孔幕設(shè)置與否兩種方案，流入排水孔幕及各洞室的滲漏量如表 2所示．其中，方案1指防滲帷幕后設(shè)置副排水孔幕，方案2指防滲帷幕后不設(shè)置副排水孔幕．由表2可見(jiàn)，對(duì)于方案2，匯入主排水孔幕的滲漏量顯著增大，達(dá)到方案1滲漏量的 3倍．其原因是，當(dāng)防滲帷幕后未設(shè)置副排水孔幕時(shí)，主排水孔幕便成為防滲帷幕后第 1道排水屏障，直接面對(duì)來(lái)自上游及山體中的地下水，因此入滲水量顯著增大．此外，主副廠房洞及尾水調(diào)壓室的入滲水量明顯增大，表明副排水孔幕對(duì)減少各洞室的滲漏量作用顯著；流入排水孔幕及各洞室的滲漏量之和明顯減小，反映出副排水孔幕對(duì)降低廠區(qū)圍巖孔隙水壓力也有顯著作用．

一般而言，水電工程地下廠房大多只設(shè)主排水孔幕，副排水孔幕僅在圍巖地質(zhì)條件較差、圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題較為突出或工程區(qū)富水性強(qiáng)、山體地下水位較高時(shí)設(shè)置．對(duì)于牙根二級(jí)地下廠房而言，其圍巖的地質(zhì)條件相對(duì)較好，但山體地下水位較高；盡管副排水孔幕的增設(shè)增加了一定工程投資，但從工程的長(zhǎng)期安全考慮，其設(shè)置對(duì)地下廠房的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是有必要的．

表2 流入排水孔幕及各洞室的滲漏量Tab.2 Seepage amounts of drainage hole arrays and different caverns m3/d

4 結(jié) 論

本文采用子結(jié)構(gòu)、變分不等式和自適應(yīng)罰函數(shù)相結(jié)合的方法(簡(jiǎn)稱(chēng) SVA方法)，結(jié)合廠區(qū)整體三維有限元模型對(duì)牙根二級(jí)水電站廠區(qū)進(jìn)行了三維滲流分析，取得如下結(jié)論．

(1) 在運(yùn)行期工況下，廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)的滲流控制效果顯著，地下水在廠區(qū)圍巖內(nèi)形成明顯的降落漏斗，主變洞和發(fā)電機(jī)層以上廠房圍巖處于地下水自由面之上，滲壓得到有效控制，表明廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案總體上是合理、有效的．

(2) 廠區(qū)上部排水系統(tǒng)對(duì)于以庫(kù)水滲漏為主的滲流控制不起作用，但其對(duì)降雨補(bǔ)給和廠區(qū)上部可能存在的局部承壓水和上層滯水的疏導(dǎo)和排干仍起重要作用．由于這部分水量相對(duì)分散、流量較小，因此高高程排水孔幕的間距可適當(dāng)放寬．

(3) 防滲帷幕后的副排水孔幕對(duì)降低廠區(qū)圍巖孔隙水壓力、減少?gòu)S區(qū)各洞室滲漏量有顯著作用，其設(shè)置對(duì)地下廠房長(zhǎng)期的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是有必要的．

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(責(zé)任編輯：樊素英)

Elaborate Simulation of Seepage Control Effects on Surrounding Rocks of Underground Powerhouse

Zheng Huakang1,2，Chen Yifeng1,2，Hong Jiamin1,2，Zhou Song1,2，Zhou Chuangbing1,2
(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering of Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

The construction sites of hydropower stations in Southwestern China are typically characterized by deeplycut valleys and difficult geological conditions，and the underground powerhouse is commonly located nearby the reservoir. The seepage flow behavior in the surrounding rocks of underground caverns is one of the most important factors which may affect the safety and operation of the hydropower station. In order to reduce the seepage flow rate out of underground opening and improve the resistance of surrounding rocks to seepage failure，a seepage control system including grouting curtains，drainage hole arrays and drainage tunnels is designed. This study focuses on the performance assessment and optimization design of the seepage control system for YagenⅡunderground hydropower system. The numerical method combining a substructure technique，the variational inequality formulation of Signorini’s type and an adaptive penalized Heaviside function(short for SVA method)is adopted. Numerical results demonstrate that：the seepage control system is properly designed and can effectively lower the phreatic surface in the surrounding rocks；the upper part of the drainage system has little effect on controlling the leakage from reservoir，and hence the spacing of the drainage hole arrays at higher elevations can be enlarged；and the auxiliary drainage hole arrays play an important role in both reducing the leakage into the underground caverns and the pore water pressure in the surrounding rocks and improving the stability of the surrounding rocks.

underground powerhouse；seepage control；drainage hole array；SVA method；elaborate simulation；YagenⅡhydropower station

TV61

：A

：0493-2137(2014)09-0823-06

10.11784/tdxbz201307024

2013-07-10；

2013-09-26.

國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51222903)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51079107，51179136).

鄭華康（1990— ），男，博士研究生，zhengzeci@whu.edu.cn.

陳益峰，csyfchen@whu.edu.cn.

時(shí)間：2014-01-14.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20140114.1016.011.html.