非洲某水電站廠區(qū)三維滲流分析

鄭海圣，徐 達，倪紹虎

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

受工程區(qū)水文地質(zhì)條件、樞紐布置、洞群布置、防滲排水系統(tǒng)等影響，水電站地下廠房的三維滲流場分布、滲流特性十分復雜，并影響著電站工程的施工安全和正常運行。工程上常采用防滲帷幕、排水廊道、排水孔幕等作為主要的滲控處理措施，用以減少廠區(qū)滲漏量并改善廠房圍巖的滲透穩(wěn)定性。滲控方案的制定通常只能憑經(jīng)驗或工程類比得出，地下廠區(qū)滲流控制方案的合理性與可優(yōu)化性往往也只能采取定性分析。在這樣的背景下，精細化模擬地下廠區(qū)的三維滲流場分布、評價滲控措施的效果，對地下廠房滲控措施方案的設計與優(yōu)化具有一定的工程意義［1-3］。

鑒于此，以非洲某水電站為例，采用有限元數(shù)值模擬方法，建立了廠區(qū)精細化三維有限元模型，計算分析了電站廠區(qū)的滲流場分布，并論證了廠區(qū)防滲、排水系統(tǒng)的合理性，為工程建設的進一步優(yōu)化提供了合理的建議。

1 滲流分析理論

當忽略土和水的壓縮性時，符合達西定律和質(zhì)量守恒定律的穩(wěn)定滲流基本方程［4-6］可表示為：

式中：h為水頭；kij為滲透張量。

式（1）應滿足的定解條件為：

（1）第一類邊界條件：

式中：Γh為已知水頭邊界；φ(x、y、z) 為已知函數(shù)。

（2）第二類邊界條件：

式中：Γq為已知流量邊界為已知函數(shù)；n為Γq的外法向方向。

（3）自由面邊界條件［7-8］：

式中：Γf為自由面邊界。

（4）溢出面邊界條件［9-10］：

式中：ΓS為溢出面邊界。

滲流量計算采用朱岳明建議的等效節(jié)點流量法［11-13］，該法計算精度高，且程序?qū)崿F(xiàn)相當簡便，可用于計算任意過水斷面的滲流量［14-16］。

以空間六面體等參單元為例，單元e中任一表面Se的等效節(jié)點列陣之和為：

式中：qse為e單元Se表面的流速。

對于任意過流斷面S，假設與S關聯(lián)的某一側(cè)單元集合為E，且滿足S={?Se/e∈E}，則通過S的滲流量Q為：

根據(jù)流量平衡方程，（7）可改寫為：

式中：n為S上的結(jié)點總數(shù)；m為單元的結(jié)點總數(shù)。

2 計算模型

2.1 工程概況

電站位于非洲境內(nèi)，電站正常蓄水位高程1 030 m，其攔河壩主要由兩岸重力式擋水壩段、溢流壩段、沖沙底孔壩段、生態(tài)流量泄放壩段和魚道等共計21個壩段組成，全長314.43 m。廠內(nèi)安裝6臺單機容量為100 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量為600 MW。廠區(qū)洞室由主副廠房洞、主變洞、母線洞、出線豎井、電纜交通洞、進廠交通洞和通風兼安全洞等洞室組成。

工程區(qū)出露的地層主要為前寒武系（An?）變質(zhì)巖，以及上覆蓋層的第四系殘積土，巖體完整性較好。地下廠房防滲排水工程由廠區(qū)防滲帷幕、排水廊道和排水孔幕等組成。防滲帷幕布置在鋼襯與混凝土襯砌交界面上游約1.5 m位置的中、下層排水廊道之間，防滲帷幕孔距3 m；排水系統(tǒng)遵循“以排為主，堵排結(jié)合”的設計原則，在廠房周圍布置2層排水廊道，上層排水廊道內(nèi)設置傾向主廠房、主變洞的“人”字形φ65的排水幕，在各層排水廊道之間布置豎向排水幕，以排泄圍巖內(nèi)入滲水。地下廠房防滲排水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 地下廠房防滲排水系統(tǒng)示意Fig.1 Seepage prevention and drainage system at the under?ground powerhouse

2.2 有限元模型

根據(jù)工程水文地質(zhì)資料、樞紐布置、洞群布置方案，建立了整個廠區(qū)的三維有限元模型。模型充分考慮了廠區(qū)圍巖條件及結(jié)構(gòu)布置，整體三維有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，模型共劃分網(wǎng)格365 148個，節(jié)點154 480個。模型計算范圍為：順引水發(fā)電系統(tǒng)流向取進水口距尾水隧洞約700 m，兩側(cè)垂直發(fā)電引水方向距離約650 m，模型底部至地面高程差約300 m。模型內(nèi)部精細模擬了廠區(qū)的各主要洞室、廠區(qū)排水廊道、防滲帷幕、3 m間距的排水孔幕等。

圖2 有限元計算模型Fig.2 FEM calculation model

2.3 計算條件

滲流分析的邊界條件取值如下。

（1）外邊界：上游庫水淹沒區(qū)按定水頭邊界取值，水頭值為正常蓄水位1 030.0 m；下游河道及尾水隧洞按定水頭邊界取值，水頭值為尾水位960.73 m；模型左右兩側(cè)取定水頭邊界，水頭值根據(jù)初始滲流場計算結(jié)果插值得出，取1 029.8 m；模型底面為不透水邊界；其余地表為可能溢出邊界。

（2）內(nèi)邊界：主廠房、主變洞及排水廊道、進廠交通洞、通風兼安全洞等在施工期及運行期均按可能滲出邊界考慮；引水洞在施工期為可能滲出邊界，運行期按定水頭邊界取值，水頭值為1 030.0 m；引水壓力管道豎井及下平段鋼襯為不透水邊界；尾水調(diào)壓室施工期取為可能滲出邊界，運行期應按定水頭邊界取值。

各地層以及滲控結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)取值為：全風化層滲透系數(shù)5×10-5cm/s，微新弱風化層滲透系數(shù)1×10-5cm/s，防滲帷幕滲透系數(shù)1×10-6cm/s。

3 計算結(jié)果分析

3.1 廠區(qū)滲流場分析

正常運行工況下的廠區(qū)三維滲流計算結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出地下洞室、防滲帷幕、排水孔幕及排水廊道等形成的空間滲控系統(tǒng)，排水降壓作用十分顯著，廠區(qū)整體滲流場壓力水頭等值線往中間凹陷，呈“漏斗”狀，這說明地下廠房洞室群及滲控系統(tǒng)作為潛在溢出面存在，會使得地下水往廠區(qū)匯集，有效的防滲排水系統(tǒng)對保證廠區(qū)正常發(fā)電運行至關重要。

圖3 廠區(qū)三維滲流計算結(jié)果云圖Fig.3 Results of three dimensional seepage calculation in the powerhouse area

順引水方向選取機組段橫剖面的水頭等值線如圖4所示。從圖中可以看出：在上游側(cè)，滲流自由面迎水面逐漸下降，經(jīng)過廠房上層排水廊道后在防滲帷幕處急劇下降，穿過主、副廠房底腳并在主、副廠房邊墻處溢出，再沿著母線洞及主變洞底面溢出廠房區(qū)；在下游側(cè)，滲流自由面在主變洞及母線洞底面溢出。從該斷面可看出，主變洞處于自由面之上，不存在滲流溢出。

圖4 順引水方向橫剖面等水頭線圖（單位：m）Fig.4 Contour map of the transverse section along the water di?version direction(unit:m)

垂直引水方向選取排水孔幕中心、主副廠房中心、母線洞、主變洞中心縱剖面水頭等值線如圖5所示。圖中廠區(qū)排水孔幕中心線縱剖面壓力水頭等值線顯示，廠區(qū)滲流自由面在兩側(cè)圍巖中逐漸下降，但下降幅度相對平緩，到防滲帷幕附近時開始急劇下降，并最終從第二層排水廊道溢出；主副廠房中心線縱剖面壓力水頭等值線顯示，廠區(qū)滲流自由面自兩側(cè)逐漸下降，從副廠房端墻墻面流入經(jīng)副廠房底面流出，最終從安裝場底腳處向下游溢出；母線洞、主變洞中心縱剖面水頭等值線顯示，廠區(qū)滲流自由面全部位于母線洞及主變洞洞底高程以下，因此整個主變洞與母線洞處于干燥狀態(tài)。

由圖3～5可知，廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)滲控效應明顯，地下廠房范圍地下水形成明顯的“漏斗”區(qū)，廠區(qū)中上部母線洞以上基本處于干燥或非飽和滲流狀態(tài)，地下水得到有效控制；當電站正常穩(wěn)定運行后，第一層“人字形”排水孔幕處于自由面以上，整個廠房中上部干燥無水。

此外，從圖3～5還可看出，由于垂直于引水方向兩層排水廊道之間未設排水孔幕，滲流自由面從廠區(qū)兩側(cè)圍巖逐漸向廠區(qū)滲入，整體自由面水平高于順引水方向，雖然仍未超過母線洞及主變洞底板高程，但可能從洞室兩頭端墻下部集中溢水，建議在垂直于引水方向兩層排水廊道之間增設排水孔幕，形成完全封閉的排水孔幕。

圖5 垂直引水方向各典型中心線縱剖面等水頭線圖Fig.5 Contour maps of the longitudinal sections on typical center lines in the vertical water diversion direction

3.2 廠區(qū)滲漏量計算

為評價廠區(qū)滲控措施的效果，分析比較各排水廊道及排水孔幕的減滲作用，對流入兩層排水廊道、排水孔幕及主要洞室的滲漏量進行統(tǒng)計，如表1所示。

表1 各洞室的滲漏量統(tǒng)計Table 1 Statistics of the seepage in each cavern

從表1統(tǒng)計的滲漏量可看出：

（1）第一層排水孔幕的滲漏量為0，位于自由面以上的干區(qū)；第二層排水孔幕的滲漏量為42.07 m3/d，主要是因為該層孔幕之前的防滲帷幕起到了有效的截滲作用，降低了帷幕的滲漏量；

（2）第一層排水廊道的滲漏量為294.05 m3/d，遠小于第二層排水廊道的2 763.99 m3/d，這也從數(shù)值上論證了滲流自由面受防滲排水系統(tǒng)作用，滲漏主要從第二層排水廊道溢出，應該注意該層廊道的積水抽排；

（3）主副廠房、主變洞、母線洞整體的滲漏量為761.36 m3/d，且主要為主副廠房的貢獻量，母線洞和主變洞的滲漏量幾乎為0。從滲流場計算結(jié)果來看，主副廠房的滲漏量主要為垂直引水方向從主副廠房兩側(cè)端墻滲入。

4 結(jié)語

考慮廠區(qū)洞群布置及滲控措施，對該水電站地下廠房三維滲流進行計算分析，取得如下結(jié)論：

（1）正常運行條件下，地下廠房基本位于地下水位以上。在廠房區(qū)防滲帷幕和排水系統(tǒng)共同作用下，地下廠房洞室群區(qū)域地下水位得到了很好的控制，主廠房和主變洞工作環(huán)境良好，廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)設計方案總體合理、有效。

（2）對于穩(wěn)定滲流場而言，廠區(qū)第一層排水廊道以上的排水系統(tǒng)處于計算干區(qū)，廠房中上部干燥無水。但考慮非穩(wěn)定滲流條件下的降雨、潛在承壓水或滯留水的影響，廠房中上部仍可能存在局部滲水。由于非穩(wěn)定滲流下的流量較小，隨機性較強，因此第一層排水廊道以上的排水孔幕間距可適當加大。

（3）垂直于引水方向兩層排水廊道之間未設置防滲帷幕或排水孔幕，成為廠房洞室的主要集中滲漏點。建議在此方向增設防滲帷幕及排水孔幕形成封閉性排水系統(tǒng)，其設置對地下廠房的長期安全、穩(wěn)定運行是有必要的。