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中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江杭州 310000
摘要：厂房区排水量的能力，很大程度上决定了其工程特性，尤其是岩溶区的发育特征，其是评价库区水文地质条件的一项重要指标，同时定量化分析也是难题之一。根据实际工程应用的需要，采用多工况组合计算方法，研究了厂房区渗流场的特性，并计算了了其排水量。由计算结果可知，帷幕对排水量的影响较大，排水廊道对排水量也起到较大的影响，岩体的各向异性特点对地下厂房处排水廊道和地下厂房排水量的影响非常显著，陡倾角裂隙使得地下厂房底板高程处地下水的涌量大增，符合一般工程规律，分析结果证明该计算方法适应性强、精度高、应用方便、实用性好。
关键词：水文地质；抽水蓄能电站；厂房；排水量；数值模拟
1 工程概况
某抽水蓄能电站位于江苏省境内，装机容量1350MW。电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房等建筑物组成。上水库面板堆石坝最大坝高183.5m，总库容1703万m3；下水库面板堆石坝最大坝高33.4m，总库容1676万m3。地下厂房出露的地层岩性：寒武系观音台群下段含泥质白云岩；炮台山组的泥质白云岩、碎屑白云岩；幕府山组的含磷灰质白云岩；震旦系灯影组的细晶白云岩，侵入有并有闪长玢岩岩脉，断层发育。岩石均为微风化～新鲜，岩质坚硬，岩体以较完整～完整为主，围岩分类以Ⅲ类为主，局部为Ⅳ类。
2 模型建立及工况组合
2.1 水文地质参数确定
关于岩体渗透系数张量的确定方法，国内外许多学者做了大量工作，归纳起来可分为四种：裂隙样本法、抽水试验法、压水试验法和数值反演法[1-2]。
四类方法各有优缺点，适合于不同的水文地质条件和实际工程情况。本文为了达到较高的计算精度，采用压水试验来确定相关水文地质参数。根据坝区岩体结构面发育特征和岩体的风化特点，将计算区域内的岩体在垂直方向上分为三个区，自上而下为全强风化带岩体、弱风化带岩体和微新风化带岩体。（1）全强风化带岩体的平均吕容值为38.2Lu，折算成渗透系数为0.42m/d；（2）弱风化带岩体的平均吕容值为4.5Lu，折算成渗透系数为0.048m/d；（3）微新风化带岩体的吕容值取1.0Lu，折算成渗透系数为0.011m/d。在地下厂房处设置帷幕。由于研究区北西向裂隙较北东向裂隙发育，所以计算时把各向同性的渗透系数换算成北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍，其总的大小不变。
2.2 计算区域的选取及模型建立
计算区域主要是地下厂房区域，其范围如图1所示。
图1 计算区域示意图
在选取计算区域时，以地下厂房区为主，同时考虑地形、地质条件和有利于边界条件的确定。正北方向为x轴；正西方向为y轴；垂直向上为z轴。上、下库盆处作为第一类边界，上库盆处的北部及东部以分水岭为边界，作为第二类边界，地下厂房四周壁作为溢出面处理。其余边界均为零流量边界处理。计算时，地下厂房处若有帷幕，帷幕的厚度取5m，帷幕的渗透系数取10-5cm/s。计算区域共剖分了20096个节点，18750个单元。
2.3 工况组合方案
结合影响地下厂房排水量的主要因素：地下厂房外围有无帷幕，有无排水，天然条件和蓄水工况等共计算了7种方案。
方案1：上水库未蓄水；无帷幕、无排水；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案2：上水库未蓄水；帷幕已建成，帷幕的渗透系数为10-5cm/s，但是无排水；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案3：上水库未蓄水；有排水，且设置三层排水（高程分别为55m、25m、-10m），但是无帷幕；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案4：上水库未蓄水；帷幕和排水均已完成，帷幕的渗透系数为10-5cm/s，设置三层排水（高程分别为55m、25m、-10m）；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案5：上水库已建成，土工布和钢筋混凝土面板正常，水库蓄水至267m高程；帷幕已建成，帷幕的渗透系数为10-5cm/s，但是无排水；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案6：上水库已建成，土工布和钢筋混凝土面板正常，水库蓄水至267m高程；排水已建成，设置三层排水（高程分别为55m、25m、-10m）；但是无帷幕；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案7：上水库已建成，土工布和钢筋混凝土面板正常，水库蓄水至267m高程；帷幕和排水均已完成；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
3 计算结果及分析
（1）帷幕对排水量的影响
在天然条件下，无帷幕（方案3）时排水廊道的排水量为2673.8m3/d，地下厂房的排水量为427.9m3/d；而有帷幕（方案4）时，排水廊道的排水量为1546.5m3/d，地下厂房的排水量为403.7m3/d。在上库正常蓄水后，水库的防渗措施正常的情况下，无帷幕（方案6）时排水廊道的排水量为2681.9m3/d，地下厂房的排水量为414.8 m3/d。由此可见，帷幕的作用可以大大减小排水廊道的排水量，所以在地下厂房外围设置帷幕是非常必要的。但是应注意的是帷幕只能阻挡四周来水，而无法减少地下厂房底板高程处地下水的上涌量。
（2）排水廊道对排水量的影响
在天然条件下，无排水廊道（方案2）时，地下厂房的排水量为1589.6 m3/d；而有排水廊道（方案4）时，地下厂房的排水量为403.7m3/d。在上库正常蓄水后，水库的防渗措施正常的情况下，无排水廊道（方案5）时，地下厂房的排水量为1620.6m3/d；由此可见，排水廊道的作用可以大大减小地下厂房的排水量。
（3）岩体的性质对排水量的影响
由于岩体中大量发育断层和裂隙，特别是陡倾角的断层和裂隙，使得裂隙岩体具有非均质各向异性的特点。所以又作了岩体各向异性的程度对排水量的敏感性分析。方案7中考虑岩体北北东向的渗透性是北西西向的5倍，排水廊道的排水量4025.6m3/d，地下厂房的排水量为769.6 m3/d；由此可见岩体的各向异性特点对地下厂房处排水廊道和地下厂房排水量的影响非常的显著，陡倾角裂隙使得地下厂房底板高程处地下水的上涌量大增。
4 结 论
综上可见，上库盆防渗效果对地下厂房处排水廊道和地下厂房排水量的影响很小。其原因是因为帷幕可以挡住四周来水。所以仅从减少地下厂房排水量的角度来讲，进行专门的上库防渗效果不显著。该结论是以上库内无通向地下厂房区的断层为前提，若有这样的断层，则地下厂房排水量会增大，故建议对上库区内的断层进行必要的封堵。
参考文献：
[1]柴军瑞.坝基非达西渗流分析[J].水电能源科学，2001，19（4）：1-3
[2]代群力.地下水非线性流动模拟[J].水文地质工程地质，2000（2）：50-51
[3]Bear J. Hydraulics of Ground water[M]. New York：McGraw-Hill，1979
[4]李康宏，柴军瑞. 坝基渗流分析两种数值方法的比较[J].红水河，2003，22（4）：14-17
[5]闫澍旺，王瑞钢，王学军，李少明. 白石水库渗流场有限元分析[J].水力发电学报，2003，2：53-61.
作者简介：
谷金操，1988年，工程师，主要从事水电站厂房工程研究。
摘要：厂房区排水量的能力，很大程度上决定了其工程特性，尤其是岩溶区的发育特征，其是评价库区水文地质条件的一项重要指标，同时定量化分析也是难题之一。根据实际工程应用的需要，采用多工况组合计算方法，研究了厂房区渗流场的特性，并计算了了其排水量。由计算结果可知，帷幕对排水量的影响较大，排水廊道对排水量也起到较大的影响，岩体的各向异性特点对地下厂房处排水廊道和地下厂房排水量的影响非常显著，陡倾角裂隙使得地下厂房底板高程处地下水的涌量大增，符合一般工程规律，分析结果证明该计算方法适应性强、精度高、应用方便、实用性好。
关键词：水文地质；抽水蓄能电站；厂房；排水量；数值模拟
1 工程概况
某抽水蓄能电站位于江苏省境内，装机容量1350MW。电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房等建筑物组成。上水库面板堆石坝最大坝高183.5m，总库容1703万m3；下水库面板堆石坝最大坝高33.4m，总库容1676万m3。地下厂房出露的地层岩性：寒武系观音台群下段含泥质白云岩；炮台山组的泥质白云岩、碎屑白云岩；幕府山组的含磷灰质白云岩；震旦系灯影组的细晶白云岩，侵入有并有闪长玢岩岩脉，断层发育。岩石均为微风化～新鲜，岩质坚硬，岩体以较完整～完整为主，围岩分类以Ⅲ类为主，局部为Ⅳ类。
2 模型建立及工况组合
2.1 水文地质参数确定
关于岩体渗透系数张量的确定方法，国内外许多学者做了大量工作，归纳起来可分为四种：裂隙样本法、抽水试验法、压水试验法和数值反演法[1-2]。
四类方法各有优缺点，适合于不同的水文地质条件和实际工程情况。本文为了达到较高的计算精度，采用压水试验来确定相关水文地质参数。根据坝区岩体结构面发育特征和岩体的风化特点，将计算区域内的岩体在垂直方向上分为三个区，自上而下为全强风化带岩体、弱风化带岩体和微新风化带岩体。（1）全强风化带岩体的平均吕容值为38.2Lu，折算成渗透系数为0.42m/d；（2）弱风化带岩体的平均吕容值为4.5Lu，折算成渗透系数为0.048m/d；（3）微新风化带岩体的吕容值取1.0Lu，折算成渗透系数为0.011m/d。在地下厂房处设置帷幕。由于研究区北西向裂隙较北东向裂隙发育，所以计算时把各向同性的渗透系数换算成北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍，其总的大小不变。
2.2 计算区域的选取及模型建立
计算区域主要是地下厂房区域，其范围如图1所示。
图1 计算区域示意图
在选取计算区域时，以地下厂房区为主，同时考虑地形、地质条件和有利于边界条件的确定。正北方向为x轴；正西方向为y轴；垂直向上为z轴。上、下库盆处作为第一类边界，上库盆处的北部及东部以分水岭为边界，作为第二类边界，地下厂房四周壁作为溢出面处理。其余边界均为零流量边界处理。计算时，地下厂房处若有帷幕，帷幕的厚度取5m，帷幕的渗透系数取10-5cm/s。计算区域共剖分了20096个节点，18750个单元。
2.3 工况组合方案
结合影响地下厂房排水量的主要因素：地下厂房外围有无帷幕，有无排水，天然条件和蓄水工况等共计算了7种方案。
方案1：上水库未蓄水；无帷幕、无排水；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案2：上水库未蓄水；帷幕已建成，帷幕的渗透系数为10-5cm/s，但是无排水；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案3：上水库未蓄水；有排水，且设置三层排水（高程分别为55m、25m、-10m），但是无帷幕；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案4：上水库未蓄水；帷幕和排水均已完成，帷幕的渗透系数为10-5cm/s，设置三层排水（高程分别为55m、25m、-10m）；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案5：上水库已建成，土工布和钢筋混凝土面板正常，水库蓄水至267m高程；帷幕已建成，帷幕的渗透系数为10-5cm/s，但是无排水；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案6：上水库已建成，土工布和钢筋混凝土面板正常，水库蓄水至267m高程；排水已建成，设置三层排水（高程分别为55m、25m、-10m）；但是无帷幕；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
方案7：上水库已建成，土工布和钢筋混凝土面板正常，水库蓄水至267m高程；帷幕和排水均已完成；岩体的渗透性为各向异性，北西向岩体的渗透系数为北东向岩体渗透系数的2倍。
3 计算结果及分析
（1）帷幕对排水量的影响
在天然条件下，无帷幕（方案3）时排水廊道的排水量为2673.8m3/d，地下厂房的排水量为427.9m3/d；而有帷幕（方案4）时，排水廊道的排水量为1546.5m3/d，地下厂房的排水量为403.7m3/d。在上库正常蓄水后，水库的防渗措施正常的情况下，无帷幕（方案6）时排水廊道的排水量为2681.9m3/d，地下厂房的排水量为414.8 m3/d。由此可见，帷幕的作用可以大大减小排水廊道的排水量，所以在地下厂房外围设置帷幕是非常必要的。但是应注意的是帷幕只能阻挡四周来水，而无法减少地下厂房底板高程处地下水的上涌量。
（2）排水廊道对排水量的影响
在天然条件下，无排水廊道（方案2）时，地下厂房的排水量为1589.6 m3/d；而有排水廊道（方案4）时，地下厂房的排水量为403.7m3/d。在上库正常蓄水后，水库的防渗措施正常的情况下，无排水廊道（方案5）时，地下厂房的排水量为1620.6m3/d；由此可见，排水廊道的作用可以大大减小地下厂房的排水量。
（3）岩体的性质对排水量的影响
由于岩体中大量发育断层和裂隙，特别是陡倾角的断层和裂隙，使得裂隙岩体具有非均质各向异性的特点。所以又作了岩体各向异性的程度对排水量的敏感性分析。方案7中考虑岩体北北东向的渗透性是北西西向的5倍，排水廊道的排水量4025.6m3/d，地下厂房的排水量为769.6 m3/d；由此可见岩体的各向异性特点对地下厂房处排水廊道和地下厂房排水量的影响非常的显著，陡倾角裂隙使得地下厂房底板高程处地下水的上涌量大增。
4 结 论
综上可见，上库盆防渗效果对地下厂房处排水廊道和地下厂房排水量的影响很小。其原因是因为帷幕可以挡住四周来水。所以仅从减少地下厂房排水量的角度来讲，进行专门的上库防渗效果不显著。该结论是以上库内无通向地下厂房区的断层为前提，若有这样的断层，则地下厂房排水量会增大，故建议对上库区内的断层进行必要的封堵。
参考文献：
[1]柴军瑞.坝基非达西渗流分析[J].水电能源科学，2001，19（4）：1-3
[2]代群力.地下水非线性流动模拟[J].水文地质工程地质，2000（2）：50-51
[3]Bear J. Hydraulics of Ground water[M]. New York：McGraw-Hill，1979
[4]李康宏，柴军瑞. 坝基渗流分析两种数值方法的比较[J].红水河，2003，22（4）：14-17
[5]闫澍旺，王瑞钢，王学军，李少明. 白石水库渗流场有限元分析[J].水力发电学报，2003，2：53-61.
作者简介：
谷金操，1988年，工程师，主要从事水电站厂房工程研究。