CCS水電站引水發電系統洞群防排水關鍵技術

鄒紅英 吳昊 楊曉箐

摘 要：厄瓜多爾CCS水電站引水發電系統軸線長達2 800 m，內外水頭均超過600 m、地下水補給量大、陡傾破碎帶發育、洞室布置密集且縱橫交錯，致使施工突涌水問題突出、防排水設計重難點多。基于FLAC3D地下系統各工況滲流場分析進行內水外滲的敏感性分析，將3DEC大洞室節理裂隙水壓力與地應力耦合進行楔形體多因素失穩分析，并結合基于高壓壓水試驗的高壓滲透特性分析，充水試驗后特征時間點安全監測數據規律分析，進行防排水關鍵技術研究及控制措施認證。在上游高內水頭引水系統采用透水襯砌，結合土工膜、固結灌漿、帷幕灌漿，以及下游發電系統采用基于排水洞的排水孔幕、系統排水孔等永臨結合措施下，目前電站運行良好，各監測數據無異常且已經長期收斂，證明了高內外水頭引水發電系統防排水設計的合理性。

關鍵詞：高內外水頭;引水發電系統;防排水;FLAC3D;3DEC;高壓滲透特性;安全監測

中圖分類號：TV554 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.022

Abstract：The CCS Hydropower Station in Ecuador is characterized by the axis of the diversion to power generation system up to 2 800 m long， the internal and external heads more than 600 m， the large groundwater recharge， the developed steeply dipping broken zone and the densely caves crisscrossly arranged， all of these result in gushing water problems during construction and many key and difficult points in waterproofdrainage design. According to the sensitivity analysis of internal water leakage based on seepage fields analysis over various conditions by FLAC3D， multifactor instability analysis for wedges considering joints and fractures water pressure coupling of insitu stress by 3DEC， combining with the highpressure permeability characteristics analysis based on high water pressure tests results， features analysis of the safety monitoring data at the characteristic times after the waterfilling test until recently， the research on key technologies for waterproofdrainage and also certification for control measures were finally put forward. Using waterpermeable lining， combining with geomembrane， consolidation grouting， curtain grouting for the upstream highhead water diversion system， drainage hole curtain based on drainage gallery and system drainage holes for the downstream power generation system and so on， after all these permanent and temporary combination measures， the power station currently is running well， the safety monitoring data are not anomaly and have been converged for a long time， which certifies the rationality of the waterproofdrainage design for diversion to power generation system under the high internal and external water condition.

Key words： high internal and external water heads; diversion to power generation system; waterproofdrainage; FLAC3D; 3DEC; high pressure permeability characteristics; safety monitoring

隨著地下空間大規模的開發與利用，隧洞在交通、礦產、石油、水利等諸多行業中得到廣泛運用[1]。水利行業中影響隧洞施工和運行安全的核心問題是洞外地下水內滲和洞內水外滲。地下水對隧洞工程的影響主要表現為隧洞開挖過程中的涌水問題和運行時襯砌的外水壓力問題，特別是在高埋深巖體中，隧洞開挖后，地下水水力劈裂作用使得原有巖體斷續裂隙發生擴展、貫通、張開，裂隙的連通性增強、張開度增大和巖體透水性變強，高外水壓力加快洞周裂隙上充填物的變形和位移，導致裂隙再擴展，惡化施工中的涌水問題。

高水頭電站及抽水蓄能電站越來越多，設計水頭越來越高，地質條件越來越復雜，高壓滲透穩定問題越來越突出。地下系統地質條件存在不確定性和不可預知性，若裂隙巖體透水性極強或存在滲漏通道或洞內高水頭壓力作用下裂隙巖體發生水力劈裂并與外圍滲透通道連通，會引發大量滲漏。隧洞滲漏極大影響經濟效益和破壞生態環境，還會直接導致巖土體抗剪指標降低、軟化，引起隧洞和邊坡失穩等工程災害事故[2]。

Coca Codo Sinclair（簡稱CCS）水電站工程被稱為厄瓜多爾的“三峽”，按照歐美標準設計。作為“一帶一路”重點建設項目，CCS水電站項目因實施風險高、技術難題多、組織難度大而極具挑戰性[3]。本文對厄瓜多爾CCS水電站高內外水頭引水發電系統洞群防排水關鍵技術進行了分析和摸索。

1 工程概況

CCS水電站為引水式電站，位于南美洲厄瓜多爾共和國南部Napo省與Sucumbios省交界處，距首都基多約130 km。CCS水電站工程由首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道、地下廠房等組成，安裝8臺沖擊式水輪機組，總裝機1 500 MW，年發電量達88億kW·h，為該國規模最大的水力發電基地、世界上目前規模最大的沖擊式水輪機組水電站。CCS水電站在首部樞紐壅高水位，設沉沙池沉沙引水，通過隧洞輸水至調蓄水庫進行日調節，再由2條壓力管道為安裝在地下廠房的沖擊式水輪機組供水[4]。

引水系統壓力管道“一洞四機”，立面布置上、下平洞，中間通過豎井連接。發電系統地下廠房洞室布置密集，規模宏大，主要包括廠房、主變洞、母線洞、進廠交通洞、尾水洞、高壓電纜洞、排水洞、疏散通風洞、施工支洞等，引水發電系統地下洞群三維展示見圖1。從壓力管道進口到廠房尾水出口，整個地下系統軸線長達2 800 m。壓力管道單洞設計流量139.2 m3/s，設計最大靜水壓力6.18 MPa，最大水擊壓力6.83 MPa，屬于高壓隧洞范圍。

2013年7月發電系統地下洞群開挖基本完成，2015年11月進行1#壓力管道充水試驗，2016年4月首批4臺機組發電并網，2016年9月進行2#壓力管道充水試驗，2016年11月最后4臺機組發電并網。

2 地質條件

2.1 水文地質概況

引水發電系統所在區域屬熱帶雨林氣候區，降雨量較大，大部分洞段位于地下水位以下，地質條件復雜，揭露的水文地質單元多，水流補給量充足，地下水問題顯得尤為重要。引水發電系統地下水類型主要為基巖裂隙水，其儲存、徑流于節理密集帶、斷層破碎帶與向斜構造之中。當隧道通過裂隙巖體的含水區段時，因人為破壞了原有地下水的滲流條件，故隧道洞身成為地下水以不同形式（滲出、滴流、股流及大范圍突水等）向外排泄的地下廊道，造成涌水災害。豎井下平段地下水水壓較高，水頭達520 m，巖體有發生水力劈裂的可能。地下廠房洞室分布高程為600～660 m，巖體相對完整，大多為弱-微透水，局部裂隙密集帶和斷層破碎帶為中等-弱透水。

2.2 工程地質概況

壓力管道洞線上有3個深度300～500 m的鉆孔，廠房區域有不少平洞和深度50～200 m的鉆孔。經過地質資料分析，引水發電洞上平段穿越的地層主要是Napo地層和Hollin地層的砂巖、頁巖、灰巖;豎井段高程1 119 m以上為Hollin地層的砂巖頁巖、灰巖和泥灰巖，以下為Misahualli地層的火山角礫巖、火山凝灰巖;下平段、地下廠房及尾水洞穿越的地層為Misahualli的凝灰巖。Hollin地層巖性較軟，底部可能形成含水層，在大陡傾節理或斷層的組合作用下極可能成為集中滲水通道;同時下平段有2條影響較大的破碎帶，也是集中滲水通道。施工過程中在加強地質預報的同時，應及時采取防范措施。

地下廠房區的主要巖性為灰色、灰綠色和紫色Misahualli地層的火山凝灰巖，上覆白堊系下統Hollin地層（Kh）頁巖、砂巖互層，表層覆蓋厚度為3～30 m的崩積物和河流沖積物（Q4）。地下廠房區屬于Sinclair構造帶，構造相對簡單，在廠房區開挖過程中沒有發現規模較大的斷層。但受構造影響，廠房區發育多條小規模斷層（近70條），斷層最大寬度普遍小于50 cm，極少數達到2 m;斷層充填物質普遍以角礫巖、巖屑夾泥為主，斷層帶組成物質較好;斷層帶延伸較短，以幾十米為主。通過對斷層節理產狀統計可知：斷層走向以230°～260°為主，傾角以60°～80°為主，整體與主廠房和主變室呈正交狀。斷層、節理在主廠房、主變室拱肩及下游邊墻形成密集的楔形體，地下水弱化巖體及結構面參數，極大威脅著廠房洞室群的施工和運行安全[5]，建議布設排水廊道。

2.3 圍巖物理力學特性

CCS水電站引水發電系統巖（石）體力學參數及滲透系數取值見表1。

3 洞群防排水關鍵技術

3.1 存在的主要問題

厄瓜多爾CCS水電站引水發電系統地下軸線長、內外水頭高、洞室跨度大、洞室三向間距短、穿越地質條件復雜，這些不利因素加劇了施工期突涌水問題、洞群三向薄巖壁問題，洞群防排水問題成為制約整個工程工期的關鍵因素。洞群防排水主要存在以下技術問題：

（1）設計理念問題。根據合同，在整個設計過程中，材料、工程設計理念必須滿足歐美規范，墨西哥監理和當地巖土工程師要求隧洞開挖支護設計滿足Hoek和Barton理念、美國陸軍工程師團《巖石隧洞和豎井工程》手冊（EM1110-2-2901），結構設計采用《水工鋼筋混凝土結構強度設計》（EM 1110-2-2104）和美國《結構混凝土建筑規范要求》（ACI318-8）。

（2）施工期滲流問題。整個地下系統軸線長達2 800 m，穿過地層斷層，節理發育較為豐富，廠區地下水位較高，陡傾角斷層和裂隙帶不良地質體的巖層滲透特性未知，施工期突涌水的預報難度較大，經濟有效、永久與臨時結合的最佳防排水措施需要研究。

（3）高地下水壓力的圍巖穩定問題。節理①②③組合在主廠房、主變室下游邊墻形成密集的楔形體[5]，極大威脅著洞室的施工和運行安全。基于塊體理論的Unwedge未模擬開挖及不同位置的地應力及高地下水壓力外部條件。洞室周圍巖體不同產狀節理裂隙上水壓力釋放與地應力耦合后對大洞室頂拱、邊墻、端墻的不利影響需要研究。

（4）高壓裂隙滲透問題。管道下平段鋼筋混凝土襯砌為限裂設計，高水頭壓力作用下巖體是否發生水力劈裂，高壓裂隙滲透特性需要進一步分析研究。

（5）防排水設計問題。引水發電系統中存在透水性極強的裂隙巖體、斷層軟弱帶等滲漏通道，一旦內水外滲，放空期外水壓力工況下管道鋼襯承受極大外壓，管道下平段鋼襯起點、上部不增設降壓設施時鋼襯結構安全問題需研究分析;廠房系統詳細設計階段維持概念設計、基本設計階段的常規上下兩層排水廊道的防排水措施是否足夠也需要研究分析;引水發電系統區域滲流場發生大的波動，施工期、運行期對洞室群支護、結構安全的影響需要重新評估分析。

3.2 洞群防排水分析

3.2.1 三維滲流場分析

FLAC3D可以模擬流體通過具有滲流性的實體如巖土體中的流動，在巖土領域三維滲流場分析中運用廣泛[6-7]。該工程區域內部存在較大的斷層和破碎帶，對區域滲流場及引水隧洞局部區域的正常運行可能有較大影響。采用FLAC3D進行滲流數值模擬主要對壓力管道下平段2條較大的破碎帶加以考慮，對施工完建期、運行期、檢修期的地下水滲流場進行分析。FLAC3D滲流場分析模型見圖2。

（1）分析表明：施工完建期受高地下水位影響，固結灌漿圈外滲透壓力最大;運行期受高內水壓力影響，固結灌漿圈內滲透壓力最大;檢修放空期固結灌漿圈內外表面壓差最大，壓力水頭達到300 m，水力坡降相對于其他斷面突然增大。運行期無鋼襯段襯砌開裂，下平段圍巖承擔內水壓力的92%，局部洞段達到99%。檢修期，2條壓力管道之間相互影響較小。襯砌內外表面水力坡降受放空速度的影響十分顯著，靠近豎井段底部是受放空速度影響的敏感區域，在設計和實際檢修放空過程中需要特別注意。在滿足上覆巖石厚度和初始地應力基本要求下，綜合工期、防滲、經濟等因素，鋼襯起點為下平洞末端約400 m處。

（2）2個豎井原設計布置在同一樁號，采用反井鉆施工[8]，1號豎井按原設計施工順利，2號豎井多次卡鉆廢棄移位，并發生一次大涌水塌方，塌方方量約4 100 m3，塌方空腔高度達50 m，寬度約20 m。塌方部位有2條大斷層穿過，流紋巖帶及其接觸帶部位局部裂隙較發育，形成了陡傾巖體破碎帶，并與地下水連通構成了地下水強徑流通道。在高水頭地下水的作用下，隧洞相當于排水洞，井壁及其附近破碎巖體坍塌產生大量涌水。后期廢井塌腔已用砂石、高流態混凝土自由下落回填。豎井移位后，三維滲流場有所變化，但規律與之前基本一致。各工況下結構滿足規范要求，考慮工程安全問題，在壓力鋼管上部30 m處增設排水洞[9]。

3.2.2 節理裂隙水壓力與地應力耦合分析

對于結構面控制型部位采用不連續力學方法進行分析研究是非常必要的，三維離散元軟件3DEC在解決結構面控制型問題方面優勢明顯[10-11]。3DEC僅考慮節理裂隙的導水性而非巖體的透水性，能較好地描述節理裂隙巖體滲流的非均質、非連續及各向異性特性，有效模擬節理裂隙地下水的作用。主廠房斷層及三組主要節理作用下3DEC裂隙網絡模型見圖3。

（1）洞室開挖形成臨空面后，相當于形成一個大的泄水通道，洞室周圍節理裂隙結構面上水壓力會迅速釋放。節理裂隙面水壓力與地應力耦合后，明顯加大了潛在不穩定巖體分布范圍和程度，表現為楔形體的數量增多、楔形體的變形加大。

（2）不穩定塊體的分布范圍和程度主要影響因素為：地下系統的地應力狀態，結構面的走向、傾向、傾角、分布密度，結構面剛度、黏結力、摩擦角等物理力學參數，排水條件影響下的結構面水壓力數量級。分析表明，節理組合作用下，節理裂隙①②水壓力釋放對CCS水電站主廠房洞周圍巖穩定影響最大（見圖4）;圍巖變形分布狀態揭示水壓力高于0.2 MPa時洞周圍巖不穩定塊體數量大幅增加、不穩定深度快速延伸。從保證圍巖支護安全的角度分析，地下廠房洞群系統排水系統需要將水壓力控制在0.2 MPa以下，同時應密切關注現場滲壓計監測數據。

（3）壓力管道內水外滲，廠房洞室原不富水的節理裂隙結構面可能張開擴展，內部充滿水，巖體軟化使得巖體物理力學參數弱化，水壓力與地應力耦合后巖體向洞內變形的幅度加大。應結合監測資料加強運行期圍巖穩定動態反饋分析。

3.2.3 巖體高壓滲透特性

施工過程中，在壓力管道上、下平段進行了圍巖水力劈裂試驗和水力階撐試驗。高壓劈裂時巖體透水性大多表現為沖蝕型或擴張型。1#壓力管道下平段圍巖的劈裂壓力約為7 MPa，2#壓力管道下平段圍巖的劈裂壓力為9～10 MPa，2#壓力管道圍巖的劈裂壓力高于1#壓力管道的。1#壓力管道下平段圍巖在6.5 MPa的水壓力作用下幾乎不透水;2#壓力管道下平段圍巖在9.0 MPa的水壓力作用下幾乎不透水。隧洞長期運行的內水壓力低于圍巖產生透水情況的邊界條件。壓力管道內水外滲對良好圍巖部位誘發裂隙張開的可能性不大，對圍巖的滲透影響不大，對誘發斷層軟弱帶部位裂隙繼續張開的可能性不大。因此，壓力管道周邊圍巖抗沖蝕性和滲透穩定耐久性較優。

3.3 安全監測反饋分析

結合CCS水電站施工及運行階段各監測儀器的布置規律，為研判引水發電系統內外高水頭的影響，考慮1#壓力管道充水前、1#壓力管道充水完成后、首批4臺機組發電、2#壓力管道充水前、2#壓力管道充水完成后、最后4臺機組發電、2019年年底7個時間點為監測資料分析的特征時間點。

（1）壓力管道圍巖穩定監測分析（下平段監測斷面見圖5）。1#壓力管道下平段樁號0+800.00承壓水頭在1#壓力管道充水過程中有較大的增長;2#壓力管道下平段樁號0+824.41承壓水頭在2#壓力管道充水過程中有較大的增長。內水頭在130 m以下時，滲壓計讀數基本不變，混凝土襯砌沒有開裂，處于基本不透水狀態。之后滲壓計讀數隨水位上升而加大，水頭達到270 m以上后，滲壓計計數與壓力管道中的水位基本平行上升，襯砌內外水壓力的差值不再縮小，襯砌已經開裂，處于透水狀態。穩定后，內外水頭差為36.8 m，襯砌分擔了總壓力的6%，圍巖分擔了94%，與滲流計算基本吻合。壓力管道充水過程中，洞內水往混凝土襯砌段洞外巖體滲漏，最大水頭時總滲漏量在20 L/s以內，遠小于計算得出的72 L/s[12]。壓力管道混凝土段充水運行后各特征時間點監測數據維持穩定;壓力管道鋼襯段1+175.00斷面7個特征時間點監測水頭維持穩定，水頭在60 m左右，受非鋼襯段內水外滲影響較小。壓力管道下平段測縫計開度在4.5 mm以內，位移在5.5 mm以內，錨桿應力在50 kN以內，開度、位移及錨桿應力在7個特征時間點變化微小。1#、2#壓力管道不存在相互影響，壓力管道各監測斷面監測數據已經收斂并長期穩定。

（2）發電系統圍巖穩定監測分析。發電系統洞室群開挖于2013年7月基本結束，整個開挖過程中，各監測儀器數據規律良好。多點位移計孔口累計位移基本在20 mm以內，圍巖變形屬于淺部位移，變形曲線多次呈臺階式跳躍發展，與開挖爆破密切相關;錨桿應力計數值基本在150 kN以內;測縫計開度在1 mm以內;滲壓計換算水頭均在5 m內，楔形體受外水壓力影響可控。截至2014年3月，發電系統巖體各監測斷面多點位移計、錨桿應力計、測縫計、滲壓計等數據已經收斂并長期穩定。發電系統監測數據在7個特征時間點變化微小，發電系統監測數據與引水系統高內外水頭運行短期和長期效應均沒有明顯的關聯，也沒有發現異常情況。

（3）引水發電系統滲漏量監測分析。基于廠區水文地質、工程地質條件，防滲排水系統設計遵循“堵排結合、以排為主、完全自流”的設計原則。整個引水發電系統排水設計主要措施有：①整個發電系統廠房上游、左右側布置“”形上下兩層排水洞，洞內上下打排水孔，呈“”形排水孔幕，有效攔截地下水，防護廠房洞群頂拱和底板。排水洞匯水最終通過尾水洞、高壓電纜洞排至洞外。②壓力管道鋼襯段中部上方30 m新增排水洞與廠房上層排水洞連接，降低鋼襯段的外水壓力。③主廠房及附屬洞室洞周布設系統排水孔，通過PVC管排至附近排水溝，最終通過交通洞排至洞外。引水發電系統圍巖滲水排水路徑見圖6。④在廠房的上下兩層排水洞布設4套量水堰，其中2套布置在上層排水洞兩端、2套布置在下層排水洞兩端。3個量水堰歷史最大監測流量在10 L/s以內，1個量水堰歷史最大監測流量為12 L/s左右，上下兩層排水洞總滲流量長期穩定在20 L/s以內，小于預估值（35 L/s）。4個監測點在7個特征時間點監測數值變化較小，與引水系統高內外水頭運行短期和長期效應均沒有明顯關聯。

4 結 語

CCS水電站引水發電系統軸線長、內外水頭高、洞室縱橫交錯、地質條件復雜、施工難度大。從數值模擬、試驗檢測等多角度出發，進行CCS水電站引水發電系統高內外水頭下防排水關鍵技術及控制措施研究，主要結論如下：

（1）引水發電系統斷層節理裂隙密集、傾角較陡、地下水補給充足，破碎帶連通處為強徑流通道，高地下水加劇了開挖時的突涌水問題，需加強施工期大地電磁法和瞬態面波法等新技術手段的超前地質預報工作。

（2）600 m以上的高內水頭壓力管道采用透水襯砌，結合整體固結灌漿、局部帷幕灌漿、豎井段增設土工膜等永久和臨時結合的防排水設計措施和施工措施，外水控制工況和內水控制工況均可以達到引水系統漏水量較小、結構安全、投資較優的目的。

（3）廠房采用上下兩層排水洞形成三邊“”形排水孔幕，有效降低了大跨度、三向薄巖壁洞室外水壓力;發電系統洞室周圍巖體不同產狀節理裂隙水壓力釋放與地應力耦合后對大洞室頂拱、邊墻、端墻的不利影響可控;壓力管道內水外滲對區域滲流場波動影響有限，對下游發電系統巖體總滲漏量影響較小、對巖體參數弱化帶來的圍巖穩定和結構安全影響可以忽略。

CCS水電站工程全部按照歐美標準設計，機組發電運行已經4 a多，洞室群監測資料全面而珍貴，有必要進行系統的圍巖參數反分析，并與試驗參數進行對比，從而對引水發電系統的長期穩定進行預測評估。

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【責任編輯 張華巖】