水電站地下廠房滲控效應(yīng)的敏感性分析

周先祥,徐 良

(1.中鐵時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 蕪湖 241001; 2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200232; 4.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)

水電站地下廠房滲控效應(yīng)的敏感性分析

周先祥1,2,徐 良3,4

(1.中鐵時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 蕪湖 241001; 2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200232; 4.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)

地下廠房多位于降雨形成的天然水位線以下,滲漏成為主要問題,不僅影響廠房的正常運(yùn)行,還可能對廠房的安全造成極大的危害。文章采用有限元數(shù)值模擬方法,開展了地下廠房在不同防滲帷幕和排水系統(tǒng)組合失效工況下滲控效應(yīng)的敏感性分析;通過多工況的計(jì)算,詳細(xì)評價(jià)了水電站廠區(qū)防滲排水措施的滲控效果,從而為工程建設(shè)提供合理依據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明:防滲帷幕能夠有效減小滲流量、降低廠房區(qū)的自由面,排水系統(tǒng)排水減壓效果明顯,采取滲流控制措施后廠房洞室滲流場得到了很好的控制。

防滲排水;敏感性分析;有限元;數(shù)值模擬

滲流控制是水電站及其樞紐建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一,不僅事關(guān)廠址選擇,也事關(guān)工程安全與經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),約1/3的工程區(qū)失事是由滲流引起的[1]。某水電站工程區(qū)水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜,兩岸壩肩斷層及蝕變帶較發(fā)育,滲漏及滲透穩(wěn)定問題較為突出,因此,需要對該水電站廠區(qū)滲流場進(jìn)行較為精確的計(jì)算和分析,提出合理、可靠的防滲排水措施,確保壩體及地下廠房長期運(yùn)行下的滲透穩(wěn)定。

本文采用三維有限元數(shù)值精細(xì)模擬[2-3],實(shí)現(xiàn)對地下廠房防滲帷幕和排水孔幕在失效工況下滲控效應(yīng)的敏感性分析。有限單元法[4]是古典變分法與多塊多項(xiàng)式插值結(jié)合的產(chǎn)物,這種結(jié)合不僅使有限單元法保持了原有變分法的優(yōu)點(diǎn),而且兼有了差分法的靈活性。經(jīng)過近50 a的發(fā)展,有限單元法在滲流計(jì)算中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟,特別是在解決有自由面的無壓滲流問題方面。本文的研究成果對地下廠房滲控優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義,對類似工程滲控效應(yīng)的模擬與評價(jià)也具有一定的參考意義。

1 基本原理

滲流簡化模型假設(shè)滲流區(qū)的全部空間被液體所充滿,其密度等于實(shí)際的液體密度,為不可壓縮流體。這種滲流場滿足不可壓縮流體的連續(xù)性微分方程[5]:

(1)

根據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理[6],穩(wěn)定滲流控制微分方程和邊界條件為:

(2)

其中,h為水頭;kij為滲透張量大小。

透水邊界為:

(3)

流量邊界為:

(4)

其中,qn為邊界流量，n為邊界面單位外法向向量,對于隔水邊界,qn=0。

浸潤面邊界為:

(5)

其中,H為浸潤面邊界。

滲出段邊界為:

(6)

此外,考慮到工程滲控效果評價(jià)及地下洞室涌水量預(yù)測往往涉及計(jì)算滲流量的問題,根據(jù)定義,通過某一斷面S的滲流量Q[7-8]可表示為:

(7)

利用有限單元法計(jì)算滲流量,一般采用中斷面法計(jì)算。在中斷面法中,假設(shè)斷面S穿過的單元集合為E,則對E中的每個(gè)單元e,利用單元中斷面流速在中斷面面積上的積分來計(jì)算通過該單元的滲流量,即

(8)

其中,Se為e單元中斷面。

2 計(jì)算模型

根據(jù)水電站廠區(qū)工程樞紐布置、地質(zhì)地形條件、防滲帷幕布置以及排水孔幕和排水廊道布置情況等,建立了地下廠房三維整體有限元模型,如圖1所示。整個(gè)計(jì)算域采用六面體等參單元和部分退化的四面體單元剖分,共劃分單元1 356 725個(gè),結(jié)點(diǎn)653 521個(gè)。

圖1 地下廠房三維整體防滲排水系統(tǒng)布置有限元模型

根據(jù)地質(zhì)勘察資料統(tǒng)計(jì),在不考慮工程干擾對滲透性影響的條件下,將各層巖體中的鉆孔壓水段數(shù)據(jù)按照每5 m進(jìn)行離散化處理,并取其平均值作為各滲透分區(qū)的滲透參數(shù),具體取值見表1所列。

表1 廠區(qū)各類巖體滲透系數(shù)取值 cm/s

3 地下廠房滲控效果研究

3.1 正常工況下典型剖面的滲流場分析

正常工況下主廠房段橫剖面等水頭線及自由面如圖2所示(單位為m)。

山體中防滲帷幕前的地下水位較高,自由面穿過帷幕時(shí)出現(xiàn)下降趨勢,防滲帷幕較好地阻止了庫水位下從上游往下游的滲漏,在該剖面中自由面在帷幕后下降至廠區(qū)帷幕第2層排水廊道2 100 m仰孔中溢出,廠房前2 150、2 100 m排水廊道均存在地下水溢出情況。典型剖面滲透坡降最大為7,位于防滲帷幕后的廠房排水廊道處,廠房圍巖滲透坡降較低。

正常工況下主廠房中心縱剖面等水頭線及自由面如圖3所示(單位為m),山體中的地下水通過帷幕匯入廠區(qū),在廠區(qū)帷幕及排水孔幕作用下急劇下降,自由面在帷幕前的高程約為2 180 m,進(jìn)入河道中的地下水經(jīng)過抗力體排水廊道和廠房第3層廊道排水作用后,在主廠房靠近河道側(cè)底部邊墻溢出,排水孔幕的排水效果顯著,從而在廠區(qū)圍巖中形成明顯的降落漏斗。

圖2 主廠房段橫剖面等水頭線

圖3 主廠房段中心縱剖面等水頭線

3.2 失效工況下滲控效應(yīng)的敏感性分析

(1) 防滲帷幕失效工況。由于地質(zhì)條件差異和帷幕耐久性等問題,帷幕的防滲性能可能偏離實(shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。針對廠區(qū)防滲帷幕失效30%、50%、100%的工況與防滲帷幕不失效的工況(即正常工況)進(jìn)行滲控效應(yīng)敏感性分析。

帷幕失效下主廠房橫剖面自由面分布如圖4所示,當(dāng)防滲帷幕的防滲性能發(fā)生變化時(shí),廠區(qū)典型剖面的變化情況基本一致。廠區(qū)離防滲帷幕較遠(yuǎn)的部位變化較小,而靠近防滲帷幕處變化顯著。壩基帷幕不失效(即正常工況)、失效30%、50%、100%時(shí)對應(yīng)的廠區(qū)滲漏總量分別為34.4、35.3、35.8、35.9 L/s。這表明在排水孔幕不變的情況下,滲漏量隨防滲帷幕失效程度增加而有所增大,流量受壩基帷幕滲透系數(shù)影響較為顯著。

圖4 帷幕失效下主廠房橫剖面自由面分布圖

(2) 排水孔幕失效工況。排水孔幕在運(yùn)行時(shí)有可能遭受到后期地下水?dāng)y帶物的擁堵而造成大面積的失效,因此有必要分析排水孔幕失效對滲流場的不良影響。

取排水孔幕失效30%、50%、100%的工況與排水孔幕不失效的工況(即正常工況)進(jìn)行對比。計(jì)算結(jié)果表明,隨著排水孔幕失效程度增加,帷幕后自由面逐步抬升,并流入廠房第2層排水廊道,在主廠房邊墻溢出。廠區(qū)排水孔幕不失效(即正常工況)、失效30%、50%、100%時(shí)對應(yīng)的廠區(qū)滲漏總量分別為34.4、33.9、33.4、27.4 L/s,滲漏量隨排水孔幕失效比例增加而減少。這是由于排水孔幕的密集布置,當(dāng)排水孔幕失效30%、50%時(shí),地下水仍能通過一定的路徑經(jīng)由附近的排水孔排出,但排水過程減慢,因而滲漏量有所減少,自由面有所抬升。

(3) 排水孔幕與防滲帷幕不同失效組合。排水失效與帷幕失效的組合工況是對廠區(qū)滲流控制最不利的工況,不同失效組合工況見表2 所列。防滲帷幕和排水孔幕失效100%時(shí)，取原來巖體的滲透系數(shù)；防滲帷幕失效30%和50%時(shí)，分別取帷幕滲透系數(shù)的70%和50%；排水孔幕失效30%和50%時(shí)，分別取排水孔幕滲透系數(shù)的70%和50%。在正常運(yùn)行下,針對4個(gè)工況開展不同失效組合下廠區(qū)滲控效應(yīng)的敏感性分析。

表2 地下廠房防滲排水組合失效工況

排水孔幕與防滲帷幕不同失效組合工況與正常運(yùn)行工況的主廠房段橫剖面滲流自由面分布對比如圖5所示。

圖5 組合失效下主廠房橫剖面自由面分布

從圖5可以看出,除工況4帷幕和排水孔全部失效外,其他失效工況自由面隨失效比例增加而有所抬升,自由面變化基本一致。工況4時(shí),由于只有排水廊道排水,無任何防滲措施,自由面抬升比較顯著,淹沒了廠房第1層排水廊道,并在主廠房邊墻溢出,主廠房段橫剖面最大滲透坡降為5,在第2層排水廊道處。與正常工況相比,雖然最大滲透坡降較低,但廠區(qū)圍巖的整體滲透坡降明顯增大。

通過廠區(qū)三維滲流場計(jì)算,可以獲得各工況下流入廠區(qū)排水廊道、地下洞室的滲漏量,各失效工況與正常工況下不同工程部位的滲漏量見表3所列。

從表3可以看出,相比于正常工況,工況1、工況2、工況3流量有所增加,當(dāng)工況4排水孔幕和防滲帷幕全部失效時(shí),排水措施只有排水廊道,廠區(qū)排水總流量顯著減少,抗力體排水廊道滲漏量變化不明顯,地下洞室的滲漏量明顯增大。這表明失去防滲帷幕和排水孔幕的防滲排水作用之后,廠房承受了較大的排水壓力,滲漏問題突出。

表3 5種工況下排水廊道及地下洞室的滲漏量 L/s

4 結(jié) 論

(1) 排水孔幕失效的敏感性分析表明,失去排水孔幕的排水作用后,廠房承受了較大的排水壓力,滲漏問題突出,因此應(yīng)注意保持排水孔幕的通暢。

(2) 防滲帷幕失效的敏感性分析表明,當(dāng)帷幕施工質(zhì)量較好時(shí),帷幕后的地下水位較低,滲漏量較小,當(dāng)防滲帷幕失效時(shí),帷幕前地下水位有所降低,而帷幕后的自由面有所抬升,滲漏量有所增大,因此滲漏量可以作為檢驗(yàn)防滲帷幕施工質(zhì)量的依據(jù)。

(3) 排水孔幕與防滲帷幕不同失效組合分析表明,與單純的排水失效或者帷幕失效相比,組合失效工況下廠區(qū)的滲漏問題更加突出,表現(xiàn)為廠房滲漏量與洞室圍巖滲透坡降均增大,特別是在排水孔幕和防滲帷幕全部失效的工況下。因此,保證排水孔幕的通暢以及防滲帷幕的施工質(zhì)量是避免工程發(fā)生滲漏問題的關(guān)鍵。

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Sensitivityanalysisofseepagecontroleffectsonundergroundpowerhouse

ZHOU Xianxiang1,2, XU Liang3,4

(1.China Railway Shi Dai Architectural Design Institute Co., Ltd., Wuhu 241001, China; 2.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200232, China; 4.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Underground powerhouse used to be located under rainfall-induced natural water level, as a result leakage becomes a major problem. It affects the normal operation of underground powerhouse, and may cause a great threat to the safety of plant. Sensitivity analysis of the seepage control effects on underground powerhouse with different combinations of impervious curtain and drainage system is conducted by adopting the finite element method. According to calculation results under different operating conditions, seepage control effects of the measures of anti-seepage and drainage are evaluated, which can provide reasonable reference for the engineering construction. The results indicate that impervious curtain can effectively reduce the seepage flow and lower the free surface. As a result, the decompression effects of drainage system are obvious, which means that the measures for controlling seepage field of underground caverns achieve good results.

seepage control and drainage; sensitivity analysis; finite element; numerical simulation

2016-03-09；

2016-05-25

周先祥(1970-),男,安徽肥東人,中鐵時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院有限公司高級工程師,河海大學(xué)碩士生.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.021

TU943.1

A

1003-5060(2017)11-1543-04

(責(zé)任編輯 張淑艷)