某抽水蓄能電站裂隙巖體中洞室外水壓力的計算結果分析

王致遠 周杰 吳艷 朱文武 劉明

摘 要：滲流與應力耦合分析法主要考慮地下水對圍巖和襯砌的共同作用，從滲流理論出發計算水對圍巖和襯砌的作用，可以直接通過分析隧洞開挖引起的地應力和地下水滲透力對圍巖和襯砌的耦合作用。這種方法將圍巖和襯砌當作一個整體來共同承擔外水壓力，但是高壓水條件下，圍巖和襯砌間可能出現縫隙，此時外水壓力主要作用在襯砌上，而不是圍巖和襯砌共同承擔。

關鍵詞：某抽水蓄能電站裂隙巖體；外水壓力；計算結果分析

中圖分類號：TV139.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0099-02

1 研究區概況

1.1 研究區位置

某抽水蓄能電站位于廣東省惠州市博羅縣，距廣州市112km，距惠州市20km，距深圳77km，總裝機容量2400MW。上、下水庫主壩為碾壓混凝土重力壩，廠房系統采用中偏尾部的A、B兩個廠房分區布置，65°斜向進水，兩個廠房最小間距150m。輸水發電隧洞除引水高壓支管、尾水支管采用鋼板襯砌外，引水隧洞、高壓隧洞、高壓岔管和尾水隧洞等均采用鋼筋混凝土襯砌。

1.2 地質概況

廠房區分布地層巖性有：燕山四期（γ53（1））中細粒、中粗?；◢弾r；加里東期至燕山期的混合巖（Mγ3）；后期侵入的閃長玢巖脈、花崗閃長巖脈、煌斑巖脈；以及沿斷層帶侵入的石英、螢石、方解石脈等。

廠房區探洞揭露斷層共有67條，以NE、NW、NNW三組為主。根據廠房探洞節理裂隙統計結果，廠房區節理裂隙發育方向與斷層基本一致，主要有NNE和NW2組組。（1）NNE組：主要在東西向或近東西向的探洞PD01-1、PD01-2、PD01-3、PD01-6中揭露，裂隙產狀N5-20°E，絕大部分傾向SE，少量傾NW，傾角多在60-80°；（2）NW組：主要在探洞PD01、PD01-2、PD01-3、PD01-4、PD01-6中揭露，裂隙產狀N35-60°W，絕大部分傾向NE，少量傾SW，傾角多在60-85°。

1.3 水文地質條件

1.3.1 巖體的透水性

通過對地下廠房區23個鉆孔共392段壓水試驗資料進行統計分析，表明：地下廠房區混合巖和花崗巖的透水性主要以微透水為主，部分為弱透水，少部分為中等透水。其中微透水巖體占69.9%，弱透水巖體占28.5%，中等透水巖體約1.6%。因此廠房區不存在強透水巖體，這些鉆孔的透水率在接近地表時較大，但隨著埋深的增加和高程的降低，透水率逐漸降低，個別試段的透水率有增大的現象，這與鉆孔揭露的斷層帶和巖脈有關，鉆孔ZK2002和ZK2085巖體的透水率隨埋深是變化的。

以上分析表明巖體的透水性分為三類：（1）強透水帶：主要包括電站區的全、強風化帶巖體、f304斷層破碎帶、NE向導水斷層和NW向與f304斷層切割的斷層；（2）弱透水帶：弱風化帶巖體；（3）微透水帶：微風化帶和新鮮巖體、膠結好的巖脈。

1.3.2 地下水的補徑排關系

地下廠房處的補給來源主要有大氣降雨補給和上庫通過f304斷層補給。上庫庫水以滲水的形式流入到f304斷層，f304斷層距離地下廠房較近，通過NW向斷層流向地下廠房，因此，f304斷層有可能是上庫庫水流向廠房的主要途徑。通過對電站區巖體的透水性、巖體水文地質結構和水文地質條件分析，可以將電站區以f30沖溝為界分為兩個水文地質單元。天然條件下，上水庫的主要補給源為大氣降水，通過庫水滲漏向f30沖溝和廠房、下水庫排泄；廠房和下水庫補給源主要為大氣降水，一部分水流向f30沖溝、地表淺處和地下深處排泄。

2 結果分析

2.1 水文地質參數的確定

研究區進行了大量的壓水試驗，可以通過壓水試驗結果來計算滲透系數，即：

（1）

式中，K為裂隙巖體的滲透系數（cm/s）；為單位吸水率（）；L為試段長度（m）；r0為鉆孔半徑（m）。

根據壩區巖體結構面發育特征和巖性特點，將巖體在垂直方向上分為三個區，自上而下為強風化帶、弱風化帶和微風化帶。根據各區統計得到的單位吸水率大小和試坑試驗結果，利用式（10）可以計算各區的滲透系數，取試段長度L為6m，孔半徑r0為0.0375m，計算得到各區的滲透系數。電站區發育的斷層主要有NW和NE兩組。因此，這兩組斷層是電站區主要的控水結構面，在建立三維裂隙網絡時，主要考慮這兩組斷層。對其產狀（走向、傾向和傾角）、間距和破碎帶寬等幾何參數作了數理統計，并根據統計結果確定出這些參數的概率分布形式，為Monte-Carlo模擬奠定了基礎。利用裂隙幾何參數的均值、方差和所滿足的分布規律，隨機產生電站區內的裂隙面，這些裂隙面相互交叉并溝通到邊界形成三維裂隙網絡。

2.2 外水壓力計算及預測

2.2.1 水道系統充水后內水外滲量大小變化

水庫正常運行期，當水道系統充水后，在水道內外水頭差作用下，水道內的水會通過鋼筋混凝土襯砌向外發生滲漏，即內水外滲。其內滲量的大小與水道所處的位置有關，也與時間有關，考慮水庫正常運行，上水庫蓄水位762m，下水庫蓄水位205m，A和B廠房水道系統充水，A、 B廠房上、中和下層廊道排水，高壓岔支管設置防滲帷幕，探硐246高程設置排水廊道。在水道沿線取幾個特征點來了解內水外滲量的變化規律。其中A廠水道系統從引水隧洞到高壓隧洞取了四個特征點：A1、A2、A3和A4，分別位于上平洞、中斜井、下斜井和下平洞，高程分別為590m、458m、146m和135m；B廠水道系統從引水隧洞到高壓隧洞取了三個特征點：B1、B2和B3，分別位于上平洞、中斜井、下平洞，高程分別為590m、458m和135m。

水道系統內水外滲量隨時間的變化關系：0時刻的流量表示初始時刻的外滲量，即通過水道內的水位762m和水道附近的天然水位計算得到的，當水道系統充水一天后，由于內水外滲，地下水位會升高，相應的外滲量會降低，但從圖中可以看出，外滲量比天然條件下反而升高了，這主要是考慮了高岔、支管和廠房的排水，使得即使水道系統存在內水外滲，其水位的升高值仍然低于天然水位。隨著水道系統充水時間的增加，沿水道系統附近的水位也逐漸升高，水道系統內外水頭差減小，外滲量也隨之減小，個別地方甚至減小到0。

可以看出，在水道系統的不同位置，內水外滲量的大小也不相同。在上平洞、中斜井等處，地下水位較高，水道系統充水后，其內外水頭差較小，故內水外滲量變幅??；在下斜井和下平洞等處，由于遠離上水庫，地下水位較低，水道系統充水后，其內外水頭差較大，故內水外滲量變幅大。

2.2.2 內水外滲對鋼支管外水壓力的影響

內水外滲不但增加了廠房和高壓岔、支管排水量，而且也增加了鋼支管的外水壓力。外水壓力的形成主要是水道系統放空后，鋼支管的內水壓力突然降為0，水道系統充水后的壓力水頭直接作用在鋼支管外表面，如果壓力水頭超過鋼支管容許承受的壓力，鋼支管就會發生破壞，因此，通常應用防滲和排水來降低鋼支管的外水壓力。在高岔帷幕后深排水孔前近似垂直于鋼支管取一剖面，計算外水壓力的大小，單位為MPa。

由于高壓岔、支管的防滲和排水作用，鋼支管處的外水壓力幾乎降為0，其表面處的最大外水壓力為1.2MPa，低于設計值1.8MPa，合乎設計要求。當鋼筋混凝土襯砌開裂后外水壓力可以達到1.6MPa，大于設計值，鋼支管可能受到破壞，表明保證鋼筋混凝土襯砌正常運行是相當重要的。另外，由于246m高程的排水廊道排水，使得這些部位的外水壓力幾乎降為0，同時也降低了246m高程以上的外水壓力。

2.2.3 水道系統放空條件下外水壓力變化

水道系統放空時，水道內的水位大約以20m/h的速度逐漸下降，由于混凝土襯砌的阻水作用，水道系統外的水位下降較慢，水道系統內、外壓力差形成水道的外水壓力。水道系統內的水大約在38小時后放空，圖7和圖8顯示了水道系統放空時A、B廠引水系統外水壓力隨時間的變化，其中圖7是在混凝土襯砌開裂條件下外水壓力的變化，圖11中混凝土襯砌正常?？梢钥闯觯珹1和B1處外水壓力分別為0.63～1.40MPa和0.51～1.28MPa，不論是最大值還是變化幅度都較小，由于這些地方的高程為590m，因此其外水壓力很小，不會對水道系統產生破壞作用。對于A4和B3，靠近鋼支管附近，高程為135m，外水壓力較大，隨著水道系統的放空，外水壓力也逐漸降低。由于水道系統的圍巖抗拉和抗壓強度較大，特別是較完整的花崗巖，最小可以打到7MPa以上，因此水道系統放空所產生的外水壓力一般不會對水道系統產生破壞作用。由于混凝土襯砌的阻水作用，使得水道系統外水位上升不大，當水道系統放空時，不會形成太大的外水壓力。從圖中可以看出，最大外水壓力一般不超過2.7MPa。

2.2.4 一廠運行，一廠放空時外水壓力的變化

A廠水道系統充水運行，B廠水道系統放空。此時A廠水道系統內水外滲，B廠水道系統由于放空受到外水壓力的作用，計算得知B廠引水隧洞的外水壓力值介于0.3～1.34MPa，B廠高壓隧洞的外水壓力值介于0.8～1.63MPa。從平洞和廠房開挖揭露的資料看，B廠水道系統沿線巖體比較完整，有的地方甚至不用鋼筋混凝土襯砌，表明圍巖的穩定性較好，加之該區地層巖性主要為花崗巖，抗壓和抗拉強度較高，因此B廠水道系統放空時所受的外水壓力不會使水道系統發生破壞。當B廠水道系統放空后，水道會受到一定的外水壓力作用，與A廠內水外滲相反，此時B廠水道發生外水內滲。

A廠水道系統充水放空，B廠水道系統運行。同前面一樣，主要是從A廠水道系統受到的外水壓力和外水內滲量的大小來分析。計算得知A廠引水隧洞的外水壓力值介于0.31～ 1.34MPa，A廠高壓隧洞的外水壓力值介于0.91～2.17MPa。雖然A廠高壓隧洞的外水壓力較高，但也遠遠低于水道系統圍巖的抗壓強度，因此A廠水道系統放空時所受的外水壓力不會使水道系統發生破壞。

3 結語

在水庫正常運行期間，廠房和高壓岔、支管防滲、排水系統正常時，輸水管線的外水壓力為0.2～2.12MPa，低于圍巖和鋼筋混凝土的抗壓強度。廠房和鋼、支管的外水壓力為1.4～1.72MPa，其中鋼、支管的最大外水壓力為1.72MPa，小于鋼、支管設計的外水壓力1.80MPa，在水道系統放空時，不會對鋼、支管造成破壞。當鋼筋混凝土襯砌開裂時，外水壓力增幅達到18.4%～121.2%，其中鋼、支管的外水壓力都超過2.0MPa，大于鋼、支管設計時所承受的外水壓力，有可能對鋼、支管造成破壞。

一廠運行，一廠放空所計算的外水壓力比兩廠同時運行計算的外水壓力略低，放空的水道所受的外水壓力低于水道系統本身的強度，因此被放空的水道不會受到外壓破壞。