基于UDEC的高壓隧洞內水外滲離散元分析

張 巍，陳云長，黃立財，劉林軍

(1.中山大學工學院，廣州廣東510275；2.中山大學巖土工程與信息技術研究中心，廣州廣東510275；3.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州廣東510635)

基于UDEC的高壓隧洞內水外滲離散元分析

張 巍1，2，陳云長3，黃立財3，劉林軍3

(1.中山大學工學院，廣州廣東510275；2.中山大學巖土工程與信息技術研究中心，廣州廣東510275；3.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州廣東510635)

基于UDEC的離散元法，選取典型地質剖面，對陽江抽水蓄能電站高壓水道進行內水外滲裂隙滲流研究。結果表明，高壓隧洞的固結灌漿能有效降低圍巖的裂隙水壓力及其水力梯度，且隧洞上部巖體的水力梯度降低比下部巖體明顯。與有限元計算成果相比，計算結果總體規律相似，離散元法滲流水頭等值線相對凌亂，但其考慮的地質模型更符合實際，可與有限元法互為補充。

高壓隧洞；內水外滲；滲流；離散元；UDEC；陽江抽水蓄能電站

0 引 言

隨著大型水電站尤其是抽水蓄能電站的建設，出現了越來越多的高水頭水工隧洞。在高水頭作用下，混凝土襯砌難免開裂成為透水介質，發生內水外滲，圍巖成為承載主體[1- 4]。高壓隧洞設計應遵循3大基本準則：最小覆蓋厚度準則、最小地應力準則和滲透穩定準則。工程實踐表明，在滿足前2大準則的前提下，高壓隧洞的整體穩定是有保障的，應重點關注滲漏和滲透穩定問題[5- 10]。

Cundall于 1971年提出并發展完善的離散元軟件UDEC，假定流體只在節理內流動(巖塊不透水)，以此來模擬流體沿節理裂隙網絡的擴展與遷移行為，并借助節理水力開度描述裂隙水壓力與介質骨架相互作用，實現裂隙巖體的滲流應力全耦合分析。陶連金等[11]較早進行了某水電站地下廠房規則裂隙巖體流固耦合的離散元數值模擬。Cappa等[12]、王洪濤等[13]進行了實際巖質邊坡的滲流應力耦合離散元模擬。耿萍等[14]進行了隧洞開挖的數值模擬。本文采用基于UDEC的離散元法，選取陽江抽水蓄能電站典型地質剖面，對高壓水道進行內水外滲裂隙滲流研究。

1 工程地質條件

1.1 工程概況

陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區，地理位置處于廣州—湛江粵西片的中部，距廣州市230 km。電站裝機2 400 MW，分兩期建設。一期裝機1 200 MW，采用1管3機供水，引水隧洞主管管徑7.4 m，支管管徑3.0 m。高壓引水岔管及引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，引水支管采用鋼襯砌。高壓混凝土隧洞靜水壓力799 m，水頭超過了國內所有混凝土隧洞。

1.2 典型地質剖面

通過對高壓隧洞及所在地區地質條件的分析，選取沿2號支管所在縱剖面進行裂隙網絡滲流分析。裂隙網絡滲流分析中所考慮的區域主要斷層和節理裂隙的特征分述如下。

1.2.1 斷層

依據高壓隧洞工程地質及水文地質條件的勘探資料，高壓隧洞區斷層分布按其走向劃分主要有4組斷層構造：北東～北北東向組(NE～NNE)、北西～北北西向組(NW～NNW)、近東西向組(EW)、近南北向組(SN)。計算剖面主要斷層見圖1。斷層特征見表1。

圖1 沿2號支管縱剖面主要斷層

1.2.2 節理裂隙

根據地質報告和相關探硐資料，高壓隧洞處巖體主要包括5組優勢裂隙：

(1)近SN向組(走向SN、N5°～15°E、N5°～15°W，傾向E～W，傾角70°～80°)為陡傾角節理裂隙，裂隙頻率為0.5～1.5條/m，延伸較短，多閉合，無填充，少數微張，裂面粗糙。

表1 裂隙滲流計算考慮的斷層特征

(2)NWW組(走向N70°～80°E，傾向NW、SE，傾角70°～85°)為陡傾角節理裂隙，個別緩傾角，裂隙頻率為0.1～0.8條/m，延伸稍長，多閉合，無填充，少數微張，裂面粗糙。

(3)NW組(走向N20°～30°W，傾向SW、NE，傾角30°～60°)為緩傾角節理裂隙，裂隙頻率為0.5～1.5條/m，延伸較長，多閉合，無填充。

(4)NE組(走向N65°～75°E，傾向NW、SE，傾角25°～80°)多為緩傾角節理裂隙，裂隙頻率為0.2～0.6條/m，延伸較長，多閉合，無填充。

(5)近EW向組(走向近EW，傾向S～N，傾角70°～85°)為陡傾角節理裂隙，裂隙頻率小于0.1條/m，延伸較短，多閉合，無填充，裂面粗糙。

2 裂隙網絡滲流離散元分析

2.1 計算模型

計算區域以鋼襯隧洞末端中心點為坐標原點，沿水平方向且指向下游為x軸正方向，垂直于岔管軸線方向為y軸正向。模型計算范圍為：x向從下游鋼支管廠房邊墻向上游取455 m；y向從高程-125～150 m共取275 m。模型包含主要斷層及5組優勢節理裂隙。滲流計算模型見圖2。模型采用三角形單元進行剖分，塊體數5 416個，可變形三角形單元13 243個，網格結點23 840個，接觸數24 280個。

圖2 計算剖面離散元網絡模型

2.2 邊界條件

模型四周為位移約束邊界；模型上、下游為已知水頭邊界按隨高程線性變化設置，水頭呈梯形分布。模型底部為不透水邊界，上部為自由邊界；高壓引水道鋼筋混凝土襯砌段為定水頭邊界，水頭根據不同的工況設定，鋼襯段為不透水邊界。

2.3 計算參數

計算中所需的力學參數根據地質報告和相關規范及工程經驗選取。本次裂隙滲流計算巖塊力學參數及流體參數見表2。結構面力學參數見表3。

表2 巖塊力學參數及流體參數

表3 結構面力學參數

2.4 計算工況

考慮高壓隧洞固結灌漿情況選取4個工況，進行高壓隧洞圍巖裂隙滲透規律的計算分析(見表4)。主要考慮高壓隧洞固結灌漿前后洞壁水頭降低對裂隙滲流的影響。后3種計算工況的洞壁水頭根據三維有限元滲流計算確定。

表4 計算工況

2.5 計算結果分析

高壓隧洞充水運行情況下，各工況計算結果規律相近，區別主要在量值和局部區域。以工況①為例進行分析，計算剖面裂隙水壓力見圖3。裂隙滲流壓力水頭等值線見圖4。從圖3可以看出，裂隙水壓力總體上沿著裂隙向隧洞外逐漸減小，這是符合工程實際的。從圖4可以看出，裂隙網絡的壓力水頭等值線從高壓隧洞邊緣向外凸并偏向下游端，表明高壓隧洞在充水運行情況下發生內水外滲，滲向隧洞外的下游。高壓隧洞混凝土襯砌管與鋼襯支管結合處壓力水頭等值線分布密集，水力梯度達到了45左右，而且高水力梯度分布范圍大。

圖3 計算剖面水壓力分布(單位：m)

圖4 計算剖面壓力水頭等值線(單位：m)

4種工況下的壓力水頭等值線表明，高壓隧洞的固結灌漿處理在降低圍巖總體水壓力的同時，也顯著降低了高壓隧洞上部圍巖的水力梯度，由45左右降低到10以下，壓力水頭等值線有明顯的變疏趨勢。但是，固結灌漿在降低壓力水頭的同時，對高壓隧洞下部巖體的水力梯度降低不明顯，依舊達到36左右。因此，在高壓隧洞固結灌漿的基礎上，還有必要做適當的防滲處理(如帷幕灌漿等)，以降低水力梯度，保證滲透穩定。

3 與有限元計算成果對比

本文同時采用有限元方法，對陽江抽水蓄能電站高壓水道內水外滲進行了滲流研究。圖5為運行期工況①有限元計算斷面壓力水頭等值線。

圖5 計算剖面壓力水頭等值線(單位：m)

對比離散元與有限元計算成果，兩者計算結果總體規律相似，隧洞充水后發生內水外滲，滲向隧洞外的下游，壓力水頭由799 m向隧洞外逐漸降低。在鋼筋混凝土襯砌段與鋼板襯砌段交界處附近，壓力水頭等值線較密集，表明該區域水力梯度較大，應重視工程處理措施。由于有限元基于等效連續介質模型，巖體滲透特性分布相對均勻，滲流水頭等值線分布也相應較規則。而離散元基于離散介質模型，由于巖體滲透特性分布相對離散，相應的滲流水頭等值線也相對凌亂。由于離散元法考慮的地質模型更符合實際，在實際工程中可與有限元法互為補充。

4 結 語

本文將UDEC應用于高壓隧洞內水外滲的裂隙網絡滲流分析。結果表明，基于UDEC的高壓隧洞內水外滲離散元分析是可行的，主要結論如下：

(1)離散元與有限元法計算結果總體規律相似，離散元滲流水頭等值線相對凌亂。但離散元法考慮的地質模型更符合實際，可與有限元法互為補充。

(2)在高壓隧洞充水條件下，隧洞周圍的斷層為主要的滲流路徑，穿過高壓隧洞的斷層f722、f721、f720、f719、f747等形成主要的滲流通道，f721的滲漏量達5.0 L/min。為降低滲漏量，避免滲透破壞，需對主要的斷層進行灌漿處理。

(3)充水情況下，高壓隧洞的固結灌漿對防滲起到一定的效果，能有效降低圍巖的裂隙水壓力及其水力梯度。

(4)鋼筋混凝土襯砌與鋼板襯砌結合處的水力梯度產生突增現象，隧洞的固結灌漿對隧洞上部巖體的水力梯度降低有顯著效果，由45左右降低到10以下。但隧洞下部巖體水力梯度依舊達到36左右。在防滲處理時，除進行隧洞的固結灌漿外，還需增加其他防滲措施(如帷幕灌漿等)，以降低巖體的水力梯度。

[1]李新星， 蔡永昌， 莊曉瑩， 等. 高壓引水隧洞襯砌的透水設計研究[J]. 巖土力學， 2009， 30(5)： 1403- 1408．

[2]侯靖， 胡敏云. 水工高壓隧洞結構設計中若干問題的討論[J]. 水利學報， 2001(7)： 36- 40．

[3]張春生. 混凝土襯砌高壓水道的設計準則與巖體高壓滲透試驗[J]. 巖石力學與工程學報， 2009， 28(7)： 1305- 1311．

[4]MARWA E M M. Geotechnical considerations in an unlined high pressure tunnel at Lower Kihansi in Tanzania[J]. Bulletin of Engineering Geology & the Environment， 2004， 63(1)： 51- 55．

[5]楊林德， 丁文其. 滲水高壓引水隧洞襯砌的設計研究[J]. 巖石力學與工程學報， 1997(2)： 112- 117．

[6]蘇凱， 伍鶴皋. 水工隧洞內水外滲耦合分析[J]. 巖土力學， 2009， 30(4)： 1147- 1152．

[7]杜小凱， 任青文， 陳偉. 有壓引水隧洞內水外滲作用研究[J]. 四川大學學報： 工程科學版， 2008， 40(5)： 63- 68．

[8]張繼勛， 盛亮， 任旭華， 等. 深埋隧洞滲流與應力耦合分析[J]. 三峽大學學報： 自然科學版， 2012， 34(4)： 20- 23．

[9]張巍， 黃立財. 基于滲流場與應力場耦合的高壓隧洞設計[J]. 水利與建筑工程學報， 2007， 5(2)： 41- 44．

[10]張巍， 黃立財， 陳世玉. 高壓鋼筋混凝土隧洞透水襯砌設計理論的進一步研究[J]. 廣東水利水電， 2008(9)： 1- 4．

[11]陶連金， 姜德義， 孫廣義， 等. 節理巖體中地下水流動的離散元模擬[J]. 煤炭學報， 2000， 25(1)： 1- 4．

[12]CAPPA F， GUGLIELMI Y， SOUKATCHOFF V M， et al. Hydromechanical modeling of a large moving rock slope inferred from slope leveling coupled to spring long-term hydrochemical monitoring： example of the La Clapiere landslide[J]. Journal of Hydrology， 2004， 291(1)： 67- 90．

[13]王洪濤. 裂隙網絡滲流與離散元耦合分析充水巖質高邊坡的穩定性[J]. 水文地質工程地質， 2000， 27(2)： 30- 33．

[14]耿萍， 于本昌， 何悅， 等. 隧洞開挖后滲流量影響因素分析[J]. 鐵道建筑， 2014(4)： 54- 57．

(責任編輯 楊 健)

UDEC-based Discrete Element Analysis of Seepage from Inside to Outside for High Pressure Tunnel

ZHANG Wei1，2, CHEN Yunchang3, HUANG Licai3, LIU Linjun3

(1. School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China; 2. Research Center for Geotechnical Engineering & Information Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China;3. Guangdong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635, Guangdong, China)

The discrete element method based on UDEC is used to study the fracture seepage from inside to outside of the typical geological section of high pressure tunnel in Yangjiang Pumped-storage Power Station. The study results show that, the consolidation grouting of high pressure tunnel can effectively reduce the rock mass fissure water pressure and hydraulic gradient, and the hydraulic gradient decreasing effect for upper rock mass is more obvious than lower rock mass. Comparing with finite element calculation results, the general laws are similar, but the seepage head contour of discrete element method is relatively messy. Due to the geological model of discrete element method is more practical, it can be mutual complement to finite element method in actual project study．

high pressure tunnel; seepage from inside to outside; seepage flow; discrete element; UDEC; Yangjiang Pumped-storage Power Station

2015- 04- 04

張巍(1983—)，男，湖北天門人，高級工程師，博士，主要從事地下工程數值模擬研究工作．

TV139.14(265)

A

0559- 9342(2015)11- 0039- 04