敦化塔拉河抽水蓄能電站地下廠房排水系統滲流量預測

蔣攀，楊海滔，2，金賢，2，張志崇，2，李歡

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.水利部寒區工程技術研究中心，吉林 長春 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，主要建筑物包括上水庫、下水庫、輸水系統、廠房系統和地面開關站等。電站共裝4 臺機組，布置為兩洞四機。上水庫正常蓄水位為789.00 m，死水位750.00 m；下水庫正常蓄水位為430.00 m，死水位412.00 m。電站裝機容量1 200 MW，為Ⅰ等大（1）型工程，主要承擔吉林電網調峰、填谷、儲能、調頻、調相及緊急事故備用等任務。

輸水發電系統布置在上、下水庫之間的山體內，總長2 184.0 m，其中引水系統長854.0 m，尾水系統長1 330.0 m。引水系統由上水庫進/出水口、引水隧洞、引水事故閘門井、壓力管道、高壓引水岔管及高壓引水支管等建筑物組成；尾水系統由尾水支管、尾水事故閘門室、尾水岔管、尾水調壓室、尾水主洞、尾水檢修閘門井及下水庫進/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，立面采用一級豎井布置，沿發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，內徑為5.8 m。2 個高壓引水岔管均采用對稱“Y”形的內加強月牙肋鋼岔管，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施，如隧洞下平段排水廊道、廠房區多層排水廊道、排水孔幕等。這些排水設施和集水井、排水泵等共同構筑了地下廠房的排水系統。塔拉河抽水蓄能電站地下廠房埋深較大，排水系統布置復雜，且受隧洞充水、水文地質條件等因素影響，使地下廠房排水系統滲流量的計算十分困難。另一方面，相關設計規范（如SL 266—2014《水電站廠房設計規范》[1]）沒有地下廠房排水系統滲流量的計算方法，因此，有必要建立三維滲流模型，預測地下廠房排水系統滲流量，為地下廠房集水井和排水泵選型提供設計依據。

2 數值計算方法

根據達西定律和連續性方程，在孔隙介質中地下水三維流動偏微分控制方程：

式中：Kxx，Kyy，Kzz，分別為x，y，z方向的滲透系數；ω為源匯項（蒸發、降雨、井抽水量）；μs為儲水率；H(x，y，z，t)為點(x，y，z)在t時刻的水頭值；H0為滲流場初始值；H1為第一類邊界水頭值；q為第二類邊界上單位面積的補給量；Ω 為計算區域；S1，S2分別為第一類和第二類邊界。

方程求解采用地下水數值模擬軟件FEFLOW（Finite Element Subsurface Flow System），其基于伽遼金有限元法，可有效解決穩態和非穩態滲流、飽和與非飽和滲流、組分輸移等問題[2，3]。

3 排水系統滲流量預測

3.1 三維模型建立

模型平面范圍根據輸水隧洞布置選取，兩側邊界基本平行于輸水隧洞，模型地形從東北側向西南側有逐漸降低的趨勢，底部邊界高程取100 m。三維整體網格模型見圖1，刻畫地質構造主要有強風化層、弱風化層、微風化層、新鮮基巖和2 條相對發育的斷層構造（Ft1，Ft2），精細模擬了輸水隧洞、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，合理劃分網格大小，最終形成疏密有致的有限元網格，網格單元總數為6 902 419個，節點總數為1 110 558 個。

圖1 三維整體網格模型

圖2 輸水隧洞襯砌結構

3.2 滲透系數與邊界條件

3.2.1 滲透系數

根據提供的地勘資料，各巖土層滲透系數見表1。排水孔是巖體中具有強滲透性能的導水結構，排水孔按照一定間距排列形成一道強導水孔幕，滲流模型中可采用“以縫代井列”的等效方法來模擬[4]，排水孔間距為3.0 m 時，對應等效滲透系數取0.18 cm/s。

3.2.2 邊界條件

由于上水庫采用全庫盆防滲，滲漏量較小，故模型東北側的定水頭邊界取天然狀態地下水位776.00 m，西南側邊界水頭值取下水庫運行水位。運行期工況下隧洞與水庫連通，隧洞內壁設定為定水頭邊界，排水廊道設定為自由排水邊界。

3.3 計算工況

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

3.4 滲流場及滲流量計算結果

天然工況的滲流場分布見圖3，4。由圖3、圖4 可見，等勢線分布均勻，等勢線從上游到下游逐漸減小，符合一般經驗，因上下游水庫尚未運行蓄水，初始天然滲流場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 輸水系統縱剖等水壓力線（天然工況）

圖4 輸水系統縱剖等水頭線（天然工況）

圖5—7 分別給出了各工況沿輸水發電系統縱剖等水壓力線、等水頭線及機組安裝高程的平剖等水頭線。由圖5—7 可以看出，運行期、檢修期內，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，確保廠房發電機組在干燥狀態下運行。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，改變了滲流場位勢分布。由圖7（b）可以看出，受檢修期2 號尾水隧洞放空影響，外水內滲，在2 號尾水隧洞附近形成了較為明顯的滲透漏斗。

圖5 輸水系統縱剖等水壓力線

圖6 輸水系統縱剖等水頭線

圖7 機組安裝高程平剖等水頭線

各部位滲流量統計結果見表2。由表2可知，各工況地下廠房排水系統總滲流量為3 100.0～3 200.0 m3/d，其中，排水廊道滲流量約占排水系統總滲流量的96%。地下洞室群滲流量合計約120.0 m3/d，這是由于廠房沒有完全位于浸潤線以上，底部存在一定繞滲現象。檢修工況中（工況3），由于尾水系統2 號洞放空，其滲透形式為“外水內滲”，入滲量為657.1 m3/d，故在檢修期應注意匹配合適的排水泵并及時排出隧洞內滲水。

表2 各部位滲流量統計表m3/d

4 結語

綜上所述，根據對依托敦化塔拉河抽水蓄能電站工程建立的輸水發電系統三維滲流場穩態模型進行研究，其研究結果表明，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，地下廠房排水系統中排水廊道滲流量約占排水系統總滲流量的96%。計算結果能夠滿足初步設計階段要求，為地下廠房集水井和排水泵選型提供設計依據。