蔣海云　徐劍飛　劉斯宏　周　斌　廖　潔

(1. 江蘇句容抽水蓄能有限公司， 江蘇 句容　212400； 2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京　210098)

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句容抽水蓄能電站滲控效果數(shù)值模擬與評價

蔣海云1徐劍飛1劉斯宏2周斌2廖潔2

(1. 江蘇句容抽水蓄能有限公司， 江蘇 句容212400； 2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京210098)

句容抽水蓄能電站地質(zhì)條件復(fù)雜，為分析現(xiàn)擬的滲控措施能否達到預(yù)期效果，本文建立了句容抽水蓄能電站三維整體滲流場有限元模型，采用排水孔二次剖分技術(shù)和改進的結(jié)點虛流量法相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了對排水孔幕等復(fù)雜滲控措施的精細模擬，分析了設(shè)計工況下電站的整體滲流特性．結(jié)果表明，現(xiàn)擬的滲控措施對庫區(qū)及地下廠房洞室群滲流場起到了較好的控制作用．

結(jié)點虛流量法；排水孔幕；句容抽水蓄能電站；滲流特性

1　工程概況

句容抽水蓄能電站位于江蘇省句容市東昌鎮(zhèn)侖山區(qū)句容林場附近，總裝機容量1 350 MW(6臺單機容量為225 MW)，是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站．電站地處江蘇電力負荷中心，距離溧水電網(wǎng)500 kV主環(huán)網(wǎng)51 km，上網(wǎng)條件十分便利，建成后可作為整個江蘇省電網(wǎng)主要調(diào)峰電源，地理位置優(yōu)越．電站為一等大(I)型工程，上水庫主副壩、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫大壩及泄洪建筑物等主要永久性建筑物為一級建筑物，次要永久性建筑物按三級建筑物設(shè)計，安全要求等級高．工程區(qū)由西往東跨越侖山主峰，上水庫利用侖山主峰西南側(cè)溝谷挖填而成，總庫容1 703 m3；下水庫位于侖山水庫庫尾，在姊妹橋筑壩形成，并設(shè)置溢洪道和泄放孔，總庫容1 676萬m3．輸水系統(tǒng)和地下廠房位于侖山主峰的山體內(nèi)，總長1 368.3～1 403.4 m(上庫進/出水口至下庫進/出水口)．工程區(qū)布置如圖1所示．

圖1　工程區(qū)布置圖

上水庫防滲設(shè)計采用庫岸鋼筋混凝土面板與庫底土工膜防滲相結(jié)合的方式，土工膜上部采用土工布保護，并用砂袋壓敷，采用連接板與大壩防滲面板聯(lián)接，聯(lián)接處采用角鋼將其固定，在土工膜與岸坡防滲面板聯(lián)接處設(shè)排水觀測廊道，排水觀測廊道沿庫岸周邊布置，沿程設(shè)置排水管與岸坡及庫底排水層相通，以排除庫岸和庫底來的滲漏水．目前廠區(qū)滲控設(shè)計主要依據(jù)“堵排結(jié)合，堵排并重”思想，這樣可在減少外部滲水的同時及時降低廠房的內(nèi)水壓力，達到保證洞室群圍巖穩(wěn)定的目的[1-2]．句容抽水蓄能電站廠區(qū)滲控設(shè)計也不例外，一方面在外圍設(shè)計了全封閉式的混凝土防滲帷幕，阻隔地下水侵入廠房；另一方面在鋼岔管和環(huán)繞廠區(qū)依次布置了頂層、上層、中層和下層四層排水廊道，相鄰兩層廊道間還設(shè)置了密集排水孔幕．除此以外，為了充分發(fā)揮排水降壓功能，主廠房上層排水廊道內(nèi)設(shè)置有30°的“人”字型傾向洞頂?shù)呐潘?，工程?jīng)驗表明此類排水孔可有效截斷并排走由于降雨入滲等因素引起的廠區(qū)頂部入滲水流[3]．句容抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域初擬防滲排水布置剖面及平面布置示意圖如圖2所示．

圖2　地下廠房區(qū)域防滲布置示意圖

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于抽水蓄能電站三維整體(即“上水庫-輸水系統(tǒng)-廠房系統(tǒng)-下水庫”)滲流計算的研究相對較少，大部分學(xué)者通常是利用商業(yè)軟件或自編程序?qū)Τ樾钕到y(tǒng)的某一部分區(qū)域進行研究，例如：亢景付[4]利用ANSYS軟件建立了西龍池抽水蓄能電站蝸殼結(jié)構(gòu)三維有限元模型、曾靜[5]利用FLAC3D軟件建立了佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房三維有限元模型、嚴(yán)飛[6]基于Auto CAD二次開發(fā)技術(shù)提出控制斷面節(jié)點對連法，并以此建立了江蘇宜興抽水蓄能電站上水庫滲流分析模型、文洪[7]建立了浙江天荒坪抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)等．近年來，也有少數(shù)學(xué)者提出了整體滲流計算模型，例如：梅一[8]利用水文地質(zhì)軟件GMS分析了蒲石河抽水蓄能電站天然地下水流運動、劉昌軍[9]采用中國水利科學(xué)研究院研發(fā)的滲流計算軟件GWSS分析了山東文登抽水蓄能電站三維整體滲流場．但是以上整體模型在建模過程中對實際問題處理得過分簡化或根本未考慮上水庫各壩體結(jié)構(gòu)、地下廠房抽排措施等滲控關(guān)鍵因素，致使總體網(wǎng)格相對粗糙，從而降低了計算精度．

從數(shù)值計算理論角度考慮，抽水蓄能工程滲流計算難點主要在于自由面求解和排水孔幕的精細模擬．多孔介質(zhì)自由面數(shù)值計算歷來是工程研究熱點，主要有剩余流量法、初流量法、調(diào)整滲透系數(shù)法、結(jié)點虛流量法以及在此基礎(chǔ)的各類改進方法等．這些方法都力圖使自由面飽和區(qū)域(濕區(qū)、實區(qū))流量貢獻遠大于非飽和區(qū)域(干區(qū)、虛區(qū))，從而逼近真實解；排水孔幕的數(shù)值模擬則經(jīng)歷了從單元模擬到邊界模擬的歷程，相比而言，邊界模擬更能直接反應(yīng)排水點處的滲透特點，而且能有效克服排水單元滲透不收斂的缺陷．本文在總結(jié)前人研究工作基礎(chǔ)上采用文獻[11]提出的控制斷面結(jié)點對接技術(shù)，建立了句容抽水蓄能電站三維整體滲流模型，并采用改進后的結(jié)點虛流量法和排水孔邊界直接模擬法對整體滲流場進行了數(shù)值模擬．

2　計算理論

2.1結(jié)點虛流量法

多孔介質(zhì)的穩(wěn)定飽和非飽和滲流問題PDE方程為：

(1)

圖3　無壓穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型示意

常規(guī)土壩滲流邊圖條件為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，kij為滲透系數(shù)張量；H為已知水頭函數(shù)；ni為邊界面外法線方向余弦，i=1，2，3；Γ1、Γ2、Γ3、Γ4依次為已知水頭邊界、流量邊界、飽和逸出面邊界、滲流自由面邊界，qn為法向流量．

由于無壓滲流問題中自由面和溢出點位置未定，需要通過迭代才能確定，故根據(jù)以上提及的PDE方程和邊界條件，利用變分原理將其離散為相應(yīng)的非線性有限元支配方程，稱為改進的結(jié)點虛流量法[10]：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，K，h和Q分別為總體計算域Ω=Ωw+Ωd的滲透矩陣、單元結(jié)點的水頭矩陣以及等效流量列陣；ΔQ為由于自由面穿越過渡單元虛域部分產(chǎn)生的流量列陣，結(jié)點虛流量迭代本質(zhì)就在于逐步修正該項貢獻進而趨近真實解；Q2是上游已知水頭結(jié)點對相關(guān)聯(lián)過渡單元虛部分的流量貢獻．理論證明這部分流量很小(因為與已知水頭結(jié)點相交的單元很少)，所以一般將其忽略；Nn為單元的形函數(shù)；Fu(hc)為截止負壓的罰Heaviside函數(shù)；ε1、ε2為與網(wǎng)格相關(guān)的兩個罰參數(shù)．

2.2排水孔幕的數(shù)值模擬

排水孔根據(jù)其排水特性可分為逸流型(頂排型)和溢流型(底排型)兩種[1]：只有當(dāng)整個逸流型排水孔孔底處在自由面以上時才失效，當(dāng)其有效時，自由面以下孔壁可作為逸出面邊界；溢流型排水孔則是根據(jù)“水滿則溢”原理，當(dāng)且僅當(dāng)頂部滲水漫過排水孔孔頂時才會有效，此時所有孔壁結(jié)點水頭均等于孔頂高程，二者水力數(shù)學(xué)模型分別如下：

(10)

(11)

式中，ΓE為逸流型處于滲流實域的邊界，Γo為溢流型排水孔處于滲流實域的邊界；z為邊界結(jié)點的位置高程；ho為溢流型排水孔的孔頂高程．

排水孔邊界直接模擬法根據(jù)排水孔類型，將孔壁結(jié)點以相應(yīng)已知水頭邊界的形式裝配進修正的結(jié)點虛流量法中，依據(jù)每步迭代結(jié)果判別排水孔工作狀態(tài)，更改水頭邊界，為下一步迭代做準(zhǔn)備，具體過程如下：初始迭代時將所有溢流型排水孔孔壁結(jié)點設(shè)為孔頂高程(即假設(shè)所有溢流型排水孔均有效工作)，在后期的迭代中逐次計算每串排水孔所有結(jié)點流量之和，若流量之和為負，則該排水孔失效，孔壁所有結(jié)點自動轉(zhuǎn)為內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)點；而逸流型排水孔在初次迭代時將所有水頭設(shè)為相應(yīng)位置高程，在后期迭代過程中逐次計算每串排水孔上的每個結(jié)點流量，若流量為負，該結(jié)點自動轉(zhuǎn)為內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)點．所有排水孔循環(huán)完畢后重新整理排水孔邊界集，進入下一步迭代，循環(huán)往復(fù)直至沒有新增失效排水孔為止．

3　計算結(jié)果與分析

3.1計算模型及材料參數(shù)

抽水蓄能電站工程竣工后，上下水庫、庫底基礎(chǔ)、地下廠房洞室群及壩體兩岸巖體內(nèi)的地下水相互作用，形成一個整體的三維滲流場，因此只有建立整體計算模型，才能真實地反映其工程滲流特性[11-12]．本文借鑒文獻[11]提出的三維整體有限元前處理方法，建立了句容抽水蓄能電站三維整體模型．模型東側(cè)截至下水庫不同蓄水位及部分山體，西側(cè)囊括上水庫及上水庫西側(cè)庫岸西側(cè)山體，底部邊界至標(biāo)準(zhǔn)高程零點向下50 m，頂部為山體實際高程．最終生成的計算網(wǎng)格共4 845 397個單元和532 373個結(jié)點，經(jīng)過排水孔子結(jié)構(gòu)二次剖分后得到一類排水孔(逸流型)1 033個，二類排水孔(溢流型)481個．本三維模型對上/下庫主副壩、庫底全封閉式防滲結(jié)構(gòu)、地下廠房洞室群及其防滲排水系統(tǒng)、F113等15條關(guān)鍵斷層進行了較為全面細致的模擬，整體網(wǎng)格及關(guān)鍵部位網(wǎng)格如圖4所示．

圖4　句容抽水蓄能電站有限元模型

根據(jù)現(xiàn)有水文地質(zhì)資料，確定模型邊界條件如下：上/下庫盆內(nèi)表面結(jié)點根據(jù)不同工況確定水位(如設(shè)計工況下上/下庫分別為267 m/65 m)；上水庫北部地勢較高處邊界取侖山分水嶺鉆孔地下水位值，若分水嶺處缺乏鉆孔資料，則根據(jù)周邊鉆孔水位埋深推算；工程區(qū)南部為句容盆地，為典型河床相和河漫灘相，因此模型南側(cè)邊界根據(jù)鉆孔實際埋深取值；模型東西兩側(cè)及水平底部均設(shè)為隔水邊界；排水孔、排水廊道初始值均處理為逸出邊界，巖溶裂隙發(fā)育帶取為可能逸出邊界．

本文參照實測水文地質(zhì)資料、已有可研階段報告及同類型工程選取材料滲透系數(shù)，見表1．

表1　計算域各材料滲透系數(shù)

3.2計算結(jié)果分析

廠房洞室群周邊排水廊道、排水孔幕及防滲帷幕的布置至關(guān)重要，長效而經(jīng)濟的布置方案是地下廠房系統(tǒng)長期安全運行的有力保障．本文重點研究現(xiàn)擬滲控方案是否滿足滲控要求，故計算分析以設(shè)計工況結(jié)果為準(zhǔn)，設(shè)計工況下所有防滲排水設(shè)施均正常工作，上/下水庫分為正常蓄水位和死水位，斷層各向異性比1∶100．

3.2.1整體滲流場水頭分布

設(shè)計工況下總體水頭等值線分布云圖以及Z=26.00 m高程處整體計算域滲流場水頭等值線圖，如圖5所示．紅色線條為Z=26.00 m剖面自由面曲線．從圖中可以看出：三維整體滲流場的水頭分布表現(xiàn)出合理的規(guī)律性，等值線走向、形態(tài)和密集程度都較準(zhǔn)確地反映了相應(yīng)區(qū)域防滲或排水措施的滲流特性．在圖5(a)，上水庫內(nèi)顯示深紅色，水頭較高；地下廠房區(qū)域為深藍色，水頭較低．滲流總體趨勢表現(xiàn)為滲透水流分別由上/下水庫向廠區(qū)匯集，在廠區(qū)滲控措施的作用下水頭達到最低．具體說來，由于上水庫較高的地勢及庫水的作用，水頭在整體滲流場中相對較高，并以自身為中心向四周降低；地下廠房位置水頭等值線密集，且水頭降幅較大，這是由于廠區(qū)周圍滲控措施起到了較好的防滲排水作用；下水庫地下水位低于東部山體水頭，表明下庫庫水補給除降雨和上庫補給以外還有東部山體，有利于下水庫正常蓄水．

圖5　句容抽水蓄能電站整體滲流場分布(單位：m)

3.2.2地下廠房滲流特性分析

設(shè)計工況下廠房橫縱剖面水頭等值線分布圖如圖6所示．從圖中不難發(fā)現(xiàn)：在遠離廠房區(qū)域，自由面由兩邊向廠房處逐漸下降，且水頭等值線分布稀疏，水頭降落平緩；在地下廠房附近，三大洞室的開挖，引起附近山體水向廠區(qū)匯集．受引水豎井前方的導(dǎo)水性斷層F113影響，自由面發(fā)生跌落，在引水支管排水廊道豎向排水孔幕的進一步作用下，自由面繼續(xù)下降，幾乎與下層排水廊道底部齊平．廠房下游匯集的地下水與防滲帷幕相遇后急劇下降，近乎垂直，同時下層排水廊道被淹沒．由此可見，設(shè)計工況下頂層、上層和中層排水廊道以及期間的排水孔幕均未發(fā)揮作用，僅有下層排水廊道和底部溢流型排水孔起到了降壓作用，累計排水量分別為15.16 m3/h和5.29 m3/h．

圖6　廠房橫縱剖面水頭等值線分布圖(單位：m)

值得注意的是，盡管排水廊道和排水孔幕具有較強的導(dǎo)滲作用，但是由于排水設(shè)施相對較小的尺寸及降幅較大的水頭，這些位置周邊巖體的滲透坡降會很大，實際設(shè)計施工時應(yīng)注意做好防范措施(如設(shè)置圍巖反濾等)．由于地下水繞滲，廠房底部受揚壓力的作用，在兩側(cè)各出現(xiàn)一個逸出點，高程分別為6.52 m和9.03 m，此逸出點高程低于廠房內(nèi)發(fā)電機組的安裝高程20.00 m，故而不會影響發(fā)電機組的正常運行．此外廠房下層排水廊道基本處于自由面以下或者被自由面貼壁流動，建議實際施工中，及時排走下層排水廊道內(nèi)的積水，并澆筑一定厚度的抗?jié)B混凝土于廠房底板以提高其抗?jié)B性能，將繞滲的地下水阻擋在外，保證廠區(qū)干燥．

3.2.3上水庫庫岸滲流特性分析

設(shè)計工況下上水庫庫岸剖面水頭等值線分布圖如圖7所示．總體來說，自由面形態(tài)表現(xiàn)為西側(cè)山體地下水緩慢向下水庫流動、北側(cè)山體向南部邊界緩慢流動．由于上水庫和廠房下游區(qū)域巖溶發(fā)育，在數(shù)值計算中采用放大滲透系數(shù)的方式來處理，故這些區(qū)域的地下水相對輸水管道區(qū)域沿程水頭損失較小、自由面降幅相對較低、等水頭線分布也更稀疏．此外，地下水流過上水庫后受到廠區(qū)排水孔幕以及導(dǎo)水?dāng)鄬拥挠绊懀捣_始增大，尤其是水頭值為60 m處自由面跌至最低．縱觀兩圖上水庫區(qū)域水頭等值線分布可以看出，上水庫四周地下水位較低，均低于正常蓄水位高程267.00 m，不能補給庫水即上庫庫水只能依靠天然降水與下水庫抽水補給，因此需嚴(yán)格保證上水庫防滲措施的施工質(zhì)量，減少庫水外滲．

圖7　上水庫庫岸剖面水頭等值線分布圖(單位：m)

3.2.4下水庫庫岸滲流特性分析

在設(shè)計工況下水庫庫岸剖面水頭等值線分布如圖8所示，自由面形態(tài)表現(xiàn)為：北庫岸山體內(nèi)地下水自由面由高地勢處緩慢流向庫盆(表面出滲點略高于下庫死水位65 m)，呈補給庫水的狀態(tài)．滲水經(jīng)過南庫岸面板后，出現(xiàn)一個微小的水頭跌落過程，而后貼著面板下方廊道流動．值得注意的是，盡管面板背水面有來自于上水庫底部地下水的侵入，但地下水在面板底部排水廊道和排水孔的限制下，自由面始終保持較低的狀態(tài)．

圖8　下水庫南庫岸剖面庫盆區(qū)域水頭等值線分布圖(單位：m)

4　計算結(jié)果驗證

為了驗證三維整體滲流場計算結(jié)果的合理性，本文利用上水庫前期地勘保留的28個長觀孔資料與竣工期計算值進行了對比分析，對比結(jié)果見表2．

表2　上水庫各鉆孔地下水位實測值與計算值對比表

從表中可以看出，數(shù)值模擬的計算結(jié)果與長觀孔實測值總體上擬合程度較好，在所統(tǒng)計的28個鉆孔中，除了ZK4、ZK9和ZK83這3個鉆的反演值與觀測值稍有誤差，其余25個計算值均與觀測值相近，占89.3%．除去上述3個鉆孔，計算余下鉆孔的標(biāo)準(zhǔn)差

求得標(biāo)準(zhǔn)差為4.52，差值的離散性較小，表明結(jié)點虛流量法求解自由面與排水孔邊界直接模擬法的結(jié)合能較好地適用于抽水蓄能三維整體滲流場計算．為了能夠更加直觀地反映計算水位值與觀測水位值之間的差距，通過表2繪制了兩者的對比，如圖9所示．

圖9　上庫盆水位計算值與實測平均值對比圖

5　結(jié)　語

本文對句容抽水蓄能電站進行了三維整體滲流場有限元計算，對比分析了工程主要建筑物的計算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)擬設(shè)計的防滲排水措施能夠達到預(yù)期效果，上庫盆、地下廠房以及下庫盆這三大區(qū)域的水流得到了較好的控制．地下廠房區(qū)域滲控設(shè)計遵循“堵排結(jié)合，堵排并重”原則，防滲排水措施布置嚴(yán)密，可以有效地截堵、排泄廠房四周圍巖內(nèi)外水入滲，確保廠區(qū)絕大部分巖體都處在浸潤線以上．

2)在上庫盆區(qū)域巖溶較為發(fā)育且?guī)炫杷闹艿叵滤痪陀谡Ｐ钏坏炔焕牡刭|(zhì)條件下，上庫盆庫底土工膜和庫岸混凝土面板形成全封閉式防滲結(jié)構(gòu)極大的減弱了庫內(nèi)蓄水與周圍地下水之間的水力聯(lián)系，有效減小了庫盆滲漏量，從而保證庫盆內(nèi)有充足的水量來維持抽水蓄能電站正常運行．

3)廠房底部存在巖體水流繞滲現(xiàn)象，廠房上、下游側(cè)會各出現(xiàn)一個不超過安全位置的自由逸出點，因此廠房實際施工時底板需要澆筑混凝土，從而與外圍防滲帷幕形成一個封閉的防滲體系以截斷繞滲水流．

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[責(zé)任編輯王康平]

Numerical Simulation and Assessment of Seepage Control Effects of Jurong Pumped Storage Power Station

Jiang Haiyun1Xu Jianfei1Liu Sihong2Zhou Bin2Liao Jie2

(1. Jiangsu Jurong Pumped Storage Co., Ltd., Jurong 212400, China； 2. College of Water Conservancy & Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098， China)

The geological condition of Jurong Pumped Storage Power Station is complex. In order to evaluate its seepage control effects, the seepage characteristics under designed condition are analyzed by using an analytical method which contains the secondary subdivision technology of drain holes and the amended node virtual flow method; and it simulates the complex seepage control measures such as drainage holes. The results show that the intended seepage control measures are playing a controlling role on seepage field of reservoir region and underground powerhouse.

node virtual flow method；drainage holes；Jurong Pumped Storage Station；characteristics of seepage

2016-04-10

蔣海云(1963-)，男，高級工程師，主要研究方向為水電工程建設(shè)管理．E-mail：xxuummaa@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.004

TV223.4

A

1672-948X(2016)04-0017-06