敦化塔拉河抽水蓄能電站地下廠房排水系統(tǒng)滲流量預(yù)測(cè)

蔣攀，楊海滔，2，金賢，2，張志崇，2，李歡

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130061）

1 工程概況

敦化塔拉河抽水蓄能電站位于吉林省東部延邊朝鮮族自治州敦化市境內(nèi)，主要建筑物包括上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)和地面開(kāi)關(guān)站等。電站共裝4 臺(tái)機(jī)組，布置為兩洞四機(jī)。上水庫(kù)正常蓄水位為789.00 m，死水位750.00 m；下水庫(kù)正常蓄水位為430.00 m，死水位412.00 m。電站裝機(jī)容量1 200 MW，為Ⅰ等大（1）型工程，主要承擔(dān)吉林電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)。

輸水發(fā)電系統(tǒng)布置在上、下水庫(kù)之間的山體內(nèi)，總長(zhǎng)2 184.0 m，其中引水系統(tǒng)長(zhǎng)854.0 m，尾水系統(tǒng)長(zhǎng)1 330.0 m。引水系統(tǒng)由上水庫(kù)進(jìn)/出水口、引水隧洞、引水事故閘門(mén)井、壓力管道、高壓引水岔管及高壓引水支管等建筑物組成；尾水系統(tǒng)由尾水支管、尾水事故閘門(mén)室、尾水岔管、尾水調(diào)壓室、尾水主洞、尾水檢修閘門(mén)井及下水庫(kù)進(jìn)/出水口等建筑物組成。2 條壓力管道平行布置，軸線方位角為NE64°，間距為48.0 m，立面采用一級(jí)豎井布置，沿發(fā)電流向依次為上平洞、豎井和下平洞。壓力管道上平洞、豎井（含其上彎段）段采用鋼筋混凝土襯砌，豎井下彎段及下平洞均采用鋼板襯砌，襯砌為圓形斷面。鋼板襯砌外包素混凝土厚度為65 cm，內(nèi)徑為5.8 m。2 個(gè)高壓引水岔管均采用對(duì)稱(chēng)“Y”形的內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管，分岔角為70°。4 條尾水支洞平行布置，軸線方位角為NE19°，尾水管出口下游120.0 m 范圍內(nèi)采用鋼板襯砌，其后采用鋼筋混凝土襯砌。

抽水蓄能電站地下廠房（主廠房、主變洞、尾閘室）附近布置了大量排水設(shè)施，如隧洞下平段排水廊道、廠房區(qū)多層排水廊道、排水孔幕等。這些排水設(shè)施和集水井、排水泵等共同構(gòu)筑了地下廠房的排水系統(tǒng)。塔拉河抽水蓄能電站地下廠房埋深較大，排水系統(tǒng)布置復(fù)雜，且受隧洞充水、水文地質(zhì)條件等因素影響，使地下廠房排水系統(tǒng)滲流量的計(jì)算十分困難。另一方面，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范（如SL 266—2014《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]）沒(méi)有地下廠房排水系統(tǒng)滲流量的計(jì)算方法，因此，有必要建立三維滲流模型，預(yù)測(cè)地下廠房排水系統(tǒng)滲流量，為地下廠房集水井和排水泵選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 數(shù)值計(jì)算方法

根據(jù)達(dá)西定律和連續(xù)性方程，在孔隙介質(zhì)中地下水三維流動(dòng)偏微分控制方程：

式中：Kxx，Kyy，Kzz，分別為x，y，z方向的滲透系數(shù)；ω為源匯項(xiàng)（蒸發(fā)、降雨、井抽水量）；μs為儲(chǔ)水率；H(x，y，z，t)為點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水頭值；H0為滲流場(chǎng)初始值；H1為第一類(lèi)邊界水頭值；q為第二類(lèi)邊界上單位面積的補(bǔ)給量；Ω 為計(jì)算區(qū)域；S1，S2分別為第一類(lèi)和第二類(lèi)邊界。

方程求解采用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件FEFLOW（Finite Element Subsurface Flow System），其基于伽遼金有限元法，可有效解決穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)滲流、飽和與非飽和滲流、組分輸移等問(wèn)題[2，3]。

3 排水系統(tǒng)滲流量預(yù)測(cè)

3.1 三維模型建立

模型平面范圍根據(jù)輸水隧洞布置選取，兩側(cè)邊界基本平行于輸水隧洞，模型地形從東北側(cè)向西南側(cè)有逐漸降低的趨勢(shì)，底部邊界高程取100 m。三維整體網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1，刻畫(huà)地質(zhì)構(gòu)造主要有強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層、微風(fēng)化層、新鮮基巖和2 條相對(duì)發(fā)育的斷層構(gòu)造（Ft1，F(xiàn)t2），精細(xì)模擬了輸水隧洞、地下廠房（主廠房洞、主變洞和尾閘洞）、排滲廊道及排水孔幕，見(jiàn)圖2。在保證精確反映各種滲控措施和重要建筑物的前提下，合理劃分網(wǎng)格大小，最終形成疏密有致的有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)為6 902 419個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 110 558 個(gè)。

圖1 三維整體網(wǎng)格模型

圖2 輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)

3.2 滲透系數(shù)與邊界條件

3.2.1 滲透系數(shù)

根據(jù)提供的地勘資料，各巖土層滲透系數(shù)見(jiàn)表1。排水孔是巖體中具有強(qiáng)滲透性能的導(dǎo)水結(jié)構(gòu)，排水孔按照一定間距排列形成一道強(qiáng)導(dǎo)水孔幕，滲流模型中可采用“以縫代井列”的等效方法來(lái)模擬[4]，排水孔間距為3.0 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)等效滲透系數(shù)取0.18 cm/s。

3.2.2 邊界條件

由于上水庫(kù)采用全庫(kù)盆防滲，滲漏量較小，故模型東北側(cè)的定水頭邊界取天然狀態(tài)地下水位776.00 m，西南側(cè)邊界水頭值取下水庫(kù)運(yùn)行水位。運(yùn)行期工況下隧洞與水庫(kù)連通，隧洞內(nèi)壁設(shè)定為定水頭邊界，排水廊道設(shè)定為自由排水邊界。

3.3 計(jì)算工況

本文以上水庫(kù)蓄水位750.00 m、下水庫(kù)蓄水位430.00 m 為例，分析天然工況（工況1）、運(yùn)行期（工況2，兩洞充水，輸水隧洞正常運(yùn)行）與檢修期（工況3，引水系統(tǒng)全部充水，尾水隧洞1 號(hào)洞充水，2 號(hào)洞放空）的排水系統(tǒng)滲流量。

3.4 滲流場(chǎng)及滲流量計(jì)算結(jié)果

天然工況的滲流場(chǎng)分布見(jiàn)圖3，4。由圖3、圖4 可見(jiàn)，等勢(shì)線分布均勻，等勢(shì)線從上游到下游逐漸減小，符合一般經(jīng)驗(yàn)，因上下游水庫(kù)尚未運(yùn)行蓄水，初始天然滲流場(chǎng)主要受到地下水位的影響，天然工況廠房位置地下水位約為620.00 m。

圖3 輸水系統(tǒng)縱剖等水壓力線（天然工況）

圖4 輸水系統(tǒng)縱剖等水頭線（天然工況）

圖5—7 分別給出了各工況沿輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖等水壓力線、等水頭線及機(jī)組安裝高程的平剖等水頭線。由圖5—7 可以看出，運(yùn)行期、檢修期內(nèi)，地下洞室群附近排水廊道及排水孔幕效果明顯，在廠房頂拱位置均形成了較為明顯的滲流疏干區(qū)，確保廠房發(fā)電機(jī)組在干燥狀態(tài)下運(yùn)行。工況2 和3 中，引水隧洞下平段處水頭線明顯向上游彎曲，這是由于部分地下水滲入下平段排水廊道，改變了滲流場(chǎng)位勢(shì)分布。由圖7（b）可以看出，受檢修期2 號(hào)尾水隧洞放空影響，外水內(nèi)滲，在2 號(hào)尾水隧洞附近形成了較為明顯的滲透漏斗。

圖5 輸水系統(tǒng)縱剖等水壓力線

圖6 輸水系統(tǒng)縱剖等水頭線

圖7 機(jī)組安裝高程平剖等水頭線

各部位滲流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，各工況地下廠房排水系統(tǒng)總滲流量為3 100.0～3 200.0 m3/d，其中，排水廊道滲流量約占排水系統(tǒng)總滲流量的96%。地下洞室群滲流量合計(jì)約120.0 m3/d，這是由于廠房沒(méi)有完全位于浸潤(rùn)線以上，底部存在一定繞滲現(xiàn)象。檢修工況中（工況3），由于尾水系統(tǒng)2 號(hào)洞放空，其滲透形式為“外水內(nèi)滲”，入滲量為657.1 m3/d，故在檢修期應(yīng)注意匹配合適的排水泵并及時(shí)排出隧洞內(nèi)滲水。

表2 各部位滲流量統(tǒng)計(jì)表m3/d

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)對(duì)依托敦化塔拉河抽水蓄能電站工程建立的輸水發(fā)電系統(tǒng)三維滲流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行研究，其研究結(jié)果表明，排水廊道及排水孔幕效果明顯，在廠房頂拱位置均形成了較為明顯的滲流疏干區(qū)，地下廠房排水系統(tǒng)中排水廊道滲流量約占排水系統(tǒng)總滲流量的96%。計(jì)算結(jié)果能夠滿足初步設(shè)計(jì)階段要求，為地下廠房集水井和排水泵選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)。