泰山抽水蓄能电站上水库渗漏及防治措施分析研究

贾 超，周晓勇，李 辉，虞未江

(山东大学土建与水利学院，山东济南250000)

摘 要：泰山抽水蓄能电站上水库存在渗漏情况，根据该电站长期观测资料，采用数值分析及现场测试等手段对电站上水库渗漏部位、渗漏量及防渗设施破损面积进行了系统分析研究，得到该电站上库不同部位的渗漏量及防渗设施破损面积的定量值，与实测值对比较为吻合。研究成果可为电站进行渗漏治理提供理论依据。

关键词：渗漏；防渗设施；破损判定；数值模拟；压水试验；泰山抽水蓄能电站

0 引 言

抽水蓄能电站的上水库一般建于地势较高的地方，库水位一般高于库周地下水水位[1]。水库蓄水后较高的库水位有可能通过坝体、坝基向库外渗漏。上水库库水的渗漏将影响电站效益，且水库渗漏对地下厂房系统的安全运行存在潜在威胁。国外统计资料显示，渗漏是水利大坝工程失事的重要原因之一，渗漏导致的失事占大坝工程失事总数的40.5%[2-5]；国内资料显示相似结论，水利部分析全国241座大型水库发生的1000宗工程事故中，由渗漏原因导致的事故(包括管涌)有317宗，占事故总数的31.7%[3]。因此通过对水库渗漏原因的深入分析，根据不同渗漏原因有针对性地进行渗漏治理，对电站安全运行及管理具有重大意义。本文以泰山抽水蓄能电站为例，针对该电站上水库日益显著的渗漏现象，采用理论数值分析、现场监控量测等手段，经过系统分析确定出渗漏部位、渗漏量大小及防渗设施破损面积的尺寸，并与实测量进行对比验证，同时提出渗漏治理的方案。

1 工程概况

泰山抽水蓄能电站上水库位于山东省泰安市樱桃园沟内，上水库总体平面布置如图1所示，上水库库盆防渗采用钢筋混凝土面板、库底高密度聚乙烯土工膜及垂直防渗帷幕相结合的综合防渗方案[6]。上水库右岸横岭段岸坡采用坡度为1∶1.5的混凝土面板防渗，岸坡面板下游侧与堆石坝防渗面板相接，混凝土面板厚0.3 m，大坝混凝土面板约3.97万m2，右岸混凝土面板面积约5.47万m2，右岸设有排水廊道；库底回填石渣区采用土工膜水平防渗，土工膜与大坝面板及右岸岸坡面板相接，库底土工膜面积约为16万m2，库底设有观测廊道；上水库垂直防渗帷幕布置在土工膜水平防渗的左侧，防渗帷幕线自左岸帷幕灌浆平洞、左坝肩、库底观测廊道至右岸环库公路段，全长1 549.516 m。

图1 上水库总体平面布置示意

为监测上水库各部位的渗漏情况，电站在上库右岸排水廊道、库底观测廊道和大坝坝址处分别设置了量水堰等渗漏监测装置，其中坝址处量水堰用于监测上水库总渗漏量。各部位2005年～2012年渗漏量监测情况如图2所示。由图2可知，上水库渗漏量有增大的趋势，尤其从坝后渗漏量监测曲线及右岸观测廊道渗漏量监测曲线可以看出这种趋势更为显著。

图2 库底渗漏量监测结果

2 上水库渗漏分析研究

由监测资料可知上水库渗漏量随着时间有增大的趋势，为查明渗漏原因、确定渗漏部位及渗漏量大小并判定防渗设施破损面积，本文展开了深入系统的研究工作。

2.1 研究思路

分析可知上水库渗漏可能由右岸面板、库底土工膜、大坝面板及灌浆帷幕等防渗设施破损产生。本文首先把各部位防渗设施破损面积集中为面源考虑，通过有限元计算软件模拟计算出右岸面板、库底土工膜、大坝面板等不同破损面积条件下的渗流流场，根据流场水位等值线结果提取水头值。将数值分析计算结果所得水头值代入渗流计算公式，计算出各模拟工况下的渗漏量，将渗漏量的计算值与监测值进行拟合直至相等，进而反演分析出防渗设施破损面积。

由于右岸排水廊道及库底观测廊道设有渗漏监测装置，首先对右岸面板破损面积和库底土工膜的破损面积进行了判定，大坝面板下由于没有设置渗漏监测装置，本研究借助维修期放空检测对大坝面板的破损面积进行确定，同时根据检测结果对右岸面板破损面积的计算情况进行校核，最后通过现场压水试验对防渗帷幕的破损情况进行分析，对现有灌浆帷幕的防渗效果做出评价。本文整体研究技术路线如图3所示。

图3 研究技术路线

2.2 裂隙岩体渗流规律的研究

为整体把握库区渗流分布规律并分析计算防渗设施不同部位、不同破损面积条件下的渗透水头值，且为反演防渗设施的准确破损面积提供基础，本文建立了电站库区裂隙岩体渗流的三维水文地质模型[8-12]，如图4所示，计算模型中有关参数选取见表1。

图4 上水库库区三维几何模型示意(单位：m)

表1 模型计算参数

岩体密度/kg·m-3渗透率/×10-15m2岩体土工膜混凝土面板孔隙率/%岩体土工膜混凝土面板体积压缩系数/Pa-126803.472.60×10-50.10.72—0.11.00×10-8

对防渗设施不同破损部位及不同破损面积设置多种工况进行计算，图5、图6分别为右岸面板破损25 m2工况下，右岸面板下渗流流场云图及渗流场水头等值线。

图5 右岸面板下流场云图

图6 右岸面版下流场水位等值线(单位：m)

通过计算可以得到库区岩体地下水水头值，由流场地下水位等值线可知，在上水库某一部位防渗设施破损的情况下，破损部位附近的裂隙岩体地下水水位会升高，且水位升高范围随时间的增长而扩大。计算其他工况对比发现相同部位的防渗设施随着破损面积的增大，地下水水位升高越多。

3 防渗设施破损部位及破损面积分析判定

3.1 右岸面板的渗漏分析

右岸渗漏主要通过右岸面板尤其是面板接缝处向外渗漏，渗漏水排入右岸排水廊道内。因此可以右岸廊道监测到的渗漏量反演出右岸面板破损面积。设定4种工况进行数值计算，并提取右岸面板下的水头值，如表2所示。

表2 右岸面板在不同破损面积下的破损处平均水头计算结果

工况面板破损面积/m2水头值/m工况112.5395.35工况225395.94工况350397.19工况4100398.07

利用达西公式计算出各工况下的渗漏量，经过计算得到各工况下的廊道渗漏量如图7所示。

图7 右岸排水廊道渗漏量监测值及计算值

由图7可知，各时间点的渗漏量监测值基本位于工况2和工况3的渗漏量计算值之间。定义渗漏量计算值与监测渗漏量的比值为平均比值，得到右岸防渗设施破损面积和平均比值的关系如表3所示，依据表3拟合两者关系曲线如图8所示。根据图8拟合公式，依据右岸排水廊道监测资料，反演分析

表3 右岸防渗设施破损面积与平均比值关系

工况面板破损面积/m2平均比值工况112.50.407工况2250.773工况3501.376工况41001.887

图8 右岸面板破损面积与平均比值拟合曲线

出右岸面板破损面积，计算得到上库右岸防渗设施破损面积为60.7 m2，此条件下右岸排水廊道渗漏量计算值和监测值平均比值为0.999。

3.2 库底土工膜的渗漏分析

根据资料分析可知，库底土工膜面积约16万m2，渗漏量不能完全被监测，故本研究利用相关分析与反演分析相结合的方法对破损土工膜渗漏量及破损面积进行计算判定。首先假定土工膜破损面积，利用数值分析得到破损土工膜下压力水头值，进而计算出各个模拟工况下库底廊道渗漏量，依据库底廊道渗漏量与破损土工膜的相关性，通过库底廊道渗漏量监测值，运用反演分析的方法计算出土工膜破损面积，然后根据设计资料中所采用破损土工膜渗漏量计算方法，把破损土工膜等效为缺陷孔，计算出由破损土工膜造成的渗漏量[13-16]。计算工况及所得破损处压力水头值如表4所示。

表4 土工膜在不同破损面积下的破损处压力水头值

工况土工膜破损面积/m2压力水头值/m工况520030.95工况640035.48工况780040.13工况8160042.46

由于库底破损土工膜产生的渗漏量只有部分渗入到库底廊道，因此不能用达西定律直接反演土工膜破损面积，本文借鉴洞室涌水量计算的大岛洋志公式，计算出库底廊道的涌水量，然后与库底廊道渗漏观测量进行对比，进而反演分析出土工膜的破损面积。计算公式如(1)所示：

(1)

式中，q0为洞身单位长度可能最大涌水量；K为渗透系数；H为含水原始静水位至隧道底板的垂直距离，本研究库底廊道渗漏量的计算，H应为各时间点廊道顶板的渗流压力水头;m为转换系数；r为洞身断面等价圆半径；d为洞身断面等价圆直径。

计算得到各工况下库底廊道的涌水量与库底廊道监测量随时间变化规律如图9所示。

由图9可知，库底廊道渗漏量计算值与监测值变化规律一致，定义各工况渗漏量计算值与监测值的比值为平均比值，库底土工膜破损面积和平均比值的关系如表5所示，依据表5拟合二者曲线见图10。

当库底廊道渗漏量计算值与监测值比值为1时，土工膜破损面积即为所求破损面积。由拟合公式可得上库库底防渗设施破损面积为100 m2，依据Brown等的研究把破损土工膜等效为缺陷孔[16-18]，通过缺陷孔的渗漏看成孔口自由出流，运用Bernoulli计算公式(2)计算，计算得到破损土工膜产生的总渗漏量。

(2)

式中，Q为土工膜缺陷引起的渗漏量，m3/s； A为土工膜缺陷孔的面积总和，m2； g为重力加速度，m/s2；Hw为土工膜上下水头差，m；μ为流量系数，一般μ=0.60～0.70。 当Hw=30 m时，计算可得平均渗漏量为Q=1 069.56 m3/d。

图9 库底廊道渗漏量监测值和计算值变化规律

表5 防渗设施破损面积与平均比值关系

工况土工膜破损面积/m2平均比值工况52001.105工况64001.174工况78001.218工况816001.239

图10 土工膜破损面积与平均比值拟合

3.3 大坝面板的渗漏分析

为查清上库防渗设施的破损情况，电站对上库大坝面板、右岸面板、进出水口附近面板通过水下摄影的方式进行了检查。经检查发现大坝面板及结构缝共有17处破损，其中明显渗漏4处，轻微渗漏5处，点渗漏7处，不均匀渗漏1处。根据现场探测结果确定大坝面板的渗漏位置主要在结构缝等处，确定出大坝面板破损面积为30 m2，同时探测发现右岸面板渗漏位置主要在面板接缝等结构缝及进/出水口附近，并通过水下探测对右岸面板破损面积进行校验，对比发现探测结果与计算结果较为吻合。

大坝面板破损30 m2时，进行模拟分析得到该工况下的渗流流场，提取水头值代入计算公式得到大坝面板破损产生的渗漏量为51.5 m3/d。

3.4 灌浆帷幕的渗漏分析及现场压水试验

帷幕防渗体较为隐蔽，防渗帷幕破损情况难以确定，为分析防渗帷幕防渗效果，本研究于2015年9月份在原有帷幕灌浆线上进行了现场压水试验[19-22]，压水试验钻孔位置布置及现场压水试验如图11所示。

图11 压水试验钻孔位置布置示意

从压水试验结果可以看出不同位置试验孔透水率不同，其中1、2、3号孔平均透水率分别为2.44、3.34、4.30 Lu。该帷幕灌浆工程设计的防渗标准为透水率要小于等于1 Lu，但从现场压水试验来看随着运行时间的增加，已不满足设计标准。帷幕的防渗效果出现一定程度衰减，防渗帷幕产生渗漏。

4 上水库渗漏治理措施分析

本文通过分析研究确定出了泰山抽水蓄能电站上水库渗漏部位与渗漏量及防渗设施破损面积，根据研究结果发现右岸面板、库底土工膜和大坝面板存在不同程度的破损并产生了渗漏。在进行上库渗漏治理工作时，建议在进一步确定具体渗漏位置的基础上，根据不同渗漏部位采取相应的工程技术措施进行专项修补，封堵渗漏源消除渗漏隐患。由面板接缝产生的渗漏可采取工程手段进行止水，对于破损面板产生的渗漏建议在适当时间进行修补。防渗帷幕较为隐蔽，本文经现场压水试验分析已知防渗帷幕经过多年运行，防渗效果已出现衰减，建议对其时效性做进一步分析研究，根据分析结果在适当位置采取补灌等工程措施以减少渗漏。为了电站安全生产与经济效益，建议电站对重点渗漏部位加强监测，如有发现问题及时进行处理。

5 结 论

本文通过对库区裂隙岩体流场分析，发现在上库某一部位防渗设施破损的情况下，破损部位附近的裂隙岩体地下水水位升高，且水位升高范围随时间的增长而扩大。在得到库区岩体流场的基础上，对库盆防渗各部位的渗漏量进行了计算。

通过对比渗漏量计算值与监测值，利用防渗设施破损面积与渗漏量的关系，结合反演分析的方法以及现场探测等手段，判定出右岸面板、库底土工膜和大坝面板等部位存在破损，并通过数值分析与现场渗漏监测量联合反演的方法计算得到各防渗设施的破损面积。

通过现场压水试验发现灌浆帷幕防渗性能存在衰减，并且产生了一定的渗漏量，建议对其时效性作进一步分析研究，如有必要在适当时间对其进行补灌。为电站长期安全稳定运行，减少渗漏，建议对库盆破损防渗设施进行专项修补重点部位加强监测。

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(责任编辑 王 琪)

Research on Leakage and Prevention Measures of Upper Reservoir in Taishan Pumped-storage Power Station

JIA Chao, ZHOU Xiaoyong, LI Hui, YU Weijiang

(School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250000, Shandong, China)

Abstract：Long-term observations show that there is leakage in the upper reservoir of Taishan Pumped-storage Power Station. In order to analyze leakage location, seepage quantity and damaged area size of impervious facilities, the numerical analysis and field test methods are used. The comparison with real measurements indicates that the analysis results are correct. The conclusion of research can provide theoretical basis for leakage control．

Key Words：leakage; impervious facility; damage detection; numerical simulation; water pressure test; Taishan Pumped-storage Power Station

收稿日期：2016- 05- 06

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41272325)

作者简介：贾超(1976—)，男，江苏徐州人，教授，博士生导师，从事水利工程、岩土工程及工程地质方面的研究工作；周晓勇(通讯作者)．

中图分类号：TV698.2；TV743(252)

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2017)07- 0053- 05