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。
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)。
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
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
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。
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
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。
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。