敦化塔拉河抽水蓄能电站地下厂房排水系统渗流量预测

蒋攀，杨海滔，2，金贤，2，张志崇，2，李欢

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061）

1 工程概况

敦化塔拉河抽水蓄能电站位于吉林省东部延边朝鲜族自治州敦化市境内，主要建筑物包括上水库、下水库、输水系统、厂房系统和地面开关站等。电站共装4 台机组，布置为两洞四机。上水库正常蓄水位为789.00 m，死水位750.00 m；下水库正常蓄水位为430.00 m，死水位412.00 m。电站装机容量1 200 MW，为Ⅰ等大（1）型工程，主要承担吉林电网调峰、填谷、储能、调频、调相及紧急事故备用等任务。

输水发电系统布置在上、下水库之间的山体内，总长2 184.0 m，其中引水系统长854.0 m，尾水系统长1 330.0 m。引水系统由上水库进/出水口、引水隧洞、引水事故闸门井、压力管道、高压引水岔管及高压引水支管等建筑物组成；尾水系统由尾水支管、尾水事故闸门室、尾水岔管、尾水调压室、尾水主洞、尾水检修闸门井及下水库进/出水口等建筑物组成。2 条压力管道平行布置，轴线方位角为NE64°，间距为48.0 m，立面采用一级竖井布置，沿发电流向依次为上平洞、竖井和下平洞。压力管道上平洞、竖井（含其上弯段）段采用钢筋混凝土衬砌，竖井下弯段及下平洞均采用钢板衬砌，衬砌为圆形断面。钢板衬砌外包素混凝土厚度为65 cm，内径为5.8 m。2 个高压引水岔管均采用对称“Y”形的内加强月牙肋钢岔管，分岔角为70°。4 条尾水支洞平行布置，轴线方位角为NE19°，尾水管出口下游120.0 m 范围内采用钢板衬砌，其后采用钢筋混凝土衬砌。

抽水蓄能电站地下厂房（主厂房、主变洞、尾闸室）附近布置了大量排水设施，如隧洞下平段排水廊道、厂房区多层排水廊道、排水孔幕等。这些排水设施和集水井、排水泵等共同构筑了地下厂房的排水系统。塔拉河抽水蓄能电站地下厂房埋深较大，排水系统布置复杂，且受隧洞充水、水文地质条件等因素影响，使地下厂房排水系统渗流量的计算十分困难。另一方面，相关设计规范（如SL 266—2014《水电站厂房设计规范》[1]）没有地下厂房排水系统渗流量的计算方法，因此，有必要建立三维渗流模型，预测地下厂房排水系统渗流量，为地下厂房集水井和排水泵选型提供设计依据。

2 数值计算方法

根据达西定律和连续性方程，在孔隙介质中地下水三维流动偏微分控制方程：

式中：Kxx，Kyy，Kzz，分别为x，y，z方向的渗透系数；ω为源汇项（蒸发、降雨、井抽水量）；μs为储水率；H(x，y，z，t)为点(x，y，z)在t时刻的水头值；H0为渗流场初始值；H1为第一类边界水头值；q为第二类边界上单位面积的补给量；Ω 为计算区域；S1，S2分别为第一类和第二类边界。

方程求解采用地下水数值模拟软件FEFLOW（Finite Element Subsurface Flow System），其基于伽辽金有限元法，可有效解决稳态和非稳态渗流、饱和与非饱和渗流、组分输移等问题[2，3]。

3 排水系统渗流量预测

3.1 三维模型建立

模型平面范围根据输水隧洞布置选取，两侧边界基本平行于输水隧洞，模型地形从东北侧向西南侧有逐渐降低的趋势，底部边界高程取100 m。三维整体网格模型见图1，刻画地质构造主要有强风化层、弱风化层、微风化层、新鲜基岩和2 条相对发育的断层构造（Ft1，Ft2），精细模拟了输水隧洞、地下厂房（主厂房洞、主变洞和尾闸洞）、排渗廊道及排水孔幕，见图2。在保证精确反映各种渗控措施和重要建筑物的前提下，合理划分网格大小，最终形成疏密有致的有限元网格，网格单元总数为6 902 419个，节点总数为1 110 558 个。

图1 三维整体网格模型

图2 输水隧洞衬砌结构

3.2 渗透系数与边界条件

3.2.1 渗透系数

根据提供的地勘资料，各岩土层渗透系数见表1。排水孔是岩体中具有强渗透性能的导水结构，排水孔按照一定间距排列形成一道强导水孔幕，渗流模型中可采用“以缝代井列”的等效方法来模拟[4]，排水孔间距为3.0 m 时，对应等效渗透系数取0.18 cm/s。

3.2.2 边界条件

由于上水库采用全库盆防渗，渗漏量较小，故模型东北侧的定水头边界取天然状态地下水位776.00 m，西南侧边界水头值取下水库运行水位。运行期工况下隧洞与水库连通，隧洞内壁设定为定水头边界，排水廊道设定为自由排水边界。

3.3 计算工况

本文以上水库蓄水位750.00 m、下水库蓄水位430.00 m 为例，分析天然工况（工况1）、运行期（工况2，两洞充水，输水隧洞正常运行）与检修期（工况3，引水系统全部充水，尾水隧洞1 号洞充水，2 号洞放空）的排水系统渗流量。

3.4 渗流场及渗流量计算结果

天然工况的渗流场分布见图3，4。由图3、图4 可见，等势线分布均匀，等势线从上游到下游逐渐减小，符合一般经验，因上下游水库尚未运行蓄水，初始天然渗流场主要受到地下水位的影响，天然工况厂房位置地下水位约为620.00 m。

图3 输水系统纵剖等水压力线（天然工况）

图4 输水系统纵剖等水头线（天然工况）

图5—7 分别给出了各工况沿输水发电系统纵剖等水压力线、等水头线及机组安装高程的平剖等水头线。由图5—7 可以看出，运行期、检修期内，地下洞室群附近排水廊道及排水孔幕效果明显，在厂房顶拱位置均形成了较为明显的渗流疏干区，确保厂房发电机组在干燥状态下运行。工况2 和3 中，引水隧洞下平段处水头线明显向上游弯曲，这是由于部分地下水渗入下平段排水廊道，改变了渗流场位势分布。由图7（b）可以看出，受检修期2 号尾水隧洞放空影响，外水内渗，在2 号尾水隧洞附近形成了较为明显的渗透漏斗。

图5 输水系统纵剖等水压力线

图6 输水系统纵剖等水头线

图7 机组安装高程平剖等水头线

各部位渗流量统计结果见表2。由表2可知，各工况地下厂房排水系统总渗流量为3 100.0～3 200.0 m3/d，其中，排水廊道渗流量约占排水系统总渗流量的96%。地下洞室群渗流量合计约120.0 m3/d，这是由于厂房没有完全位于浸润线以上，底部存在一定绕渗现象。检修工况中（工况3），由于尾水系统2 号洞放空，其渗透形式为“外水内渗”，入渗量为657.1 m3/d，故在检修期应注意匹配合适的排水泵并及时排出隧洞内渗水。

表2 各部位渗流量统计表m3/d

4 结语

综上所述，根据对依托敦化塔拉河抽水蓄能电站工程建立的输水发电系统三维渗流场稳态模型进行研究，其研究结果表明，排水廊道及排水孔幕效果明显，在厂房顶拱位置均形成了较为明显的渗流疏干区，地下厂房排水系统中排水廊道渗流量约占排水系统总渗流量的96%。计算结果能够满足初步设计阶段要求，为地下厂房集水井和排水泵选型提供设计依据。