蒲石河抽水蓄能电站地下厂房洞室群渗流计算

[摘要]本文阐述了三维渗流有限元计算方法,岩体裂隙渗流特性,围洞室群渗流场,反演计算分析;渗流场,渗透力。

[关键词]抽水蓄能 渗流

一、渗流分析

1.基本方程和边界条件

对于各向异性、非均质的连续介质,服从达西定律的稳定渗流问题可归结为下列定解问题 :

2.有限元方法

(1)根据变分原理,上述定解问题的求解等价于求下列函的极值问题。即:

(2)把所研究区域进行离散化,建立插值函数,为了能够较好地适应复杂边界,本软件采用多种类型的等参数单元,最后形成求解各节点水头值的线性代数方程组,对于n个未知水头节点共有n个方程,用矩阵表示为:

其中,{H}为未知水头节点的列向量 ,[K]为渗透矩阵 ,{F}为右端项。

3.模型建立

对所研究的渗流区域进行渗流数值模拟要以不使渗流状态失真为原则。根据蒲石河电站工程枢纽的工程地质、水文地质资料、气象资料和计算要求,建立一个三维有限元计算分析的渗流模型。

网格剖分:

分16个网格;共24000个单元,总节点数为27040个。详见图1和图2。

图1 模型三维网格图

图2 各渗透分区及断层位置网格示意图

二、天然渗流场的三维稳定渗流有限元计算分析

天然渗流场的各渗透分区的渗透系数按反演分析最后确定的渗透系数,详见表1、表2、表3。天然渗流场的计算结果见图3、图4、图5和表1、表2。

表1 各分区各岩层渗透系数表

表2 各断层渗透系数表

表3 反演计算的水位与实测水位进行对比表

图3 天然渗流场的计算方案地下水位等水位线图

图4 天然渗流场的计算方案自由水面三维示意图

图5 天然渗流场的计算方案Y12剖面自由水面线和等水头线图

三、地下厂房洞室群施工开挖后的三维渗流有限元计算分析

地下洞室群施工开挖后“模型”的三维渗流有限元计算分析的计算结果见图6、图7、图8和表4。

表4 模型厂房区自由面及洞室总渗流量比较表

图6 模型地下厂房洞室群施工开挖方案自由面等水位线图

图7 模型范围内地下厂房洞室群施工开挖后的计算方案自由水面三维示意图

图8 模型地下厂房洞室群施工开挖后的计算方案Y12剖面自由水面线和等水头线图

四、上下库蓄水后的三维渗流有限元计算分析

模型范围内水库蓄水后运行时的三维稳定渗流分析的计算结果见图9、图10和图11。

五、结论和建议

1.计算分析表明,本工程地下洞室群区域渗流场流态复杂,开挖施工过程和蓄水后,地下洞室群的上方地下水面均将形成一个漏斗状低凹区,地下洞室群四周出现的干涸空腔区,开挖施工后洞室群地下水流态属于“漫顶型”,而不是“开敞型”或“底流型”。必须认真作好渗控措施的设计施工,真正形成“封闭性”排水降压的渗控体系,才可以实现渗流的安全稳定;

图9 大模型范围内上下库水库蓄水后的计算方案自由水面线等水位线图

图10 模型范围内上下库水库蓄水后的计算方案自由水面三维示意图

图11 模型上下库水库蓄水后的计算方案纵向自由水面线和等水头线图

2.计算分析成果显示,蓄水后洞室群地下水流态属于“漫顶型”,而且由于上方地下水位的抬高,以及向洞室渗流量的加大,蓄水后地下洞室群渗控条件较施工期有一定恶化,希望有关单位对此予以足够重视,加强观测和防范,以免对工程的安全稳定造成不利影响。

3.敏感性计算分析说明,由于排水孔淤堵等情况造成的排水措施的削弱对洞室群渗流场将有显著影响,随着排水措施的削弱,地下水位、渗透压力、自由面高程和渗流量都有显著增加。由此可以看出,随着排水措施的削弱,洞室群的渗控条件将随之恶化。因此,一定要切实保证排水系统的施工质量,做好反滤保护,确保排水系统畅通,在运行期也要加强对排水系统的检查和维护,以切实保证排水系统畅通,发挥排渗效能。

4.计算成果还显示,排水廊道周围水力梯度较大,对其渗流稳定是不利的。建议4强对排水廊道周围的检查和观测,并在必要情况下采取适当工程措施,以保证该部位岩体的渗透稳定。

参考文献:

[1]杜延龄,许国安.渗流分析的有限元法和电网络法[M].水利电力出版社,1992.

[2]许国安等.多功能三维渗流计算程序―STSA1的研究[J].四川水力发电,1993,(1).

[3]杜延龄,许国安.反求水文地质参数方法[J].水利水电技术,1993,(12).

[4]王恩志,王洪涛,孙役.双重裂隙系统渗流模型研究.岩石力学与工程学报,1998,17(4):400-406.