上水庫(kù)裂隙特征及其對(duì)水庫(kù)安全性的影響研究

摘 要：上水庫(kù)在抽水蓄能電站中具有蓄水儲(chǔ)能的重要作用，但是其經(jīng)常受巖體裂隙引起的滲流危害的困擾。針對(duì)這一問(wèn)題，本文分析了上水庫(kù)巖體的裂隙特征，繪制了裂隙角度隨時(shí)間的變化曲線。構(gòu)建了基于滲流速度的關(guān)鍵方程，形成了巖體滲流機(jī)理的分析模型。在試驗(yàn)中，根據(jù)所提模型計(jì)算巖體滲流的仿真結(jié)果，采用注漿手段提升巖體強(qiáng)度，防止?jié)B流危害。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；上水庫(kù)；裂隙特征；滲流；防滲

中圖分類號(hào)：TV 64" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)的水電能資源儲(chǔ)備位居世界第一位，其最大理論儲(chǔ)藏量接近7億kW。水電能源利用水力勢(shì)能完成發(fā)電，屬于可再生資源且對(duì)環(huán)境無(wú)污染[1]。然而，我國(guó)總體水電能源開發(fā)率不足30%。目前，為了加快水電能源開發(fā)，我國(guó)在許多江河的適宜位置興建了水利、水電工程，涌現(xiàn)大量抽水蓄能電站[2]。其中，上水庫(kù)是抽水蓄能電站的重要組成部分，執(zhí)行儲(chǔ)水蓄能任務(wù)。為了降低水利、水電工程的建設(shè)成本，上水庫(kù)通常根據(jù)地形進(jìn)行選址，充分利用山石巖體的自然結(jié)構(gòu)形成壩體的主體結(jié)構(gòu)。對(duì)于不能滿足阻攔水位需求的點(diǎn)位，進(jìn)行人工壩體澆注。基于天然巖體完成壩體建設(shè)確實(shí)具有較大的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，但是也有較大的安全隱患[3]。在多水系的自然條件下，山石巖體含有諸多孔洞和裂隙。錯(cuò)綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)會(huì)形成滲流。長(zhǎng)期滲流會(huì)降低壩體強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)突水、涌泥，甚至塌方等重大災(zāi)害，危及上水庫(kù)安全。本文分析了上水庫(kù)裂隙特征，進(jìn)而建立滲透機(jī)理模型，提出了注漿修復(fù)等策略，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 上水庫(kù)裂隙特征分析

上水庫(kù)的裂隙特征主要體現(xiàn)在依托自然巖體形成的壩體上。雖然很多巖石表面上看是一個(gè)無(wú)損整體，但是在長(zhǎng)期的沉積、風(fēng)化作用下，巖石內(nèi)部存在大小不等、數(shù)量不一的縫隙。這些縫隙的走向、傾向、角度和長(zhǎng)度各不相同。眾多裂隙組合在一起就會(huì)形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)不僅可以存儲(chǔ)水分，還會(huì)形成滲流。滲流對(duì)大壩整體具有破壞性，容易導(dǎo)致大壩出現(xiàn)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

因此，分析上水庫(kù)壩體的裂隙特征主要是分析其物理參數(shù)導(dǎo)致的滲流特征。宏觀層面要考慮巖體全部裂隙的形成性質(zhì)和分布規(guī)律；微觀層面要考慮裂隙走向、裂隙傾向、裂隙角度和裂隙長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)應(yīng)的滲流張量。本文對(duì)一般裂隙滲透率的分析如圖1所示。

從圖1可以看出，在沉降等作用的持續(xù)影響下，巖石裂隙角度會(huì)隨時(shí)間的持續(xù)不斷加大，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的滲流。

2 上水庫(kù)裂隙特征導(dǎo)致滲流的機(jī)理

對(duì)抽水蓄能電站的上水庫(kù)來(lái)說(shuō)，基于巖體的大壩安全問(wèn)題需要重點(diǎn)關(guān)注，而巖體裂隙導(dǎo)致的滲流則是最大的危險(xiǎn)因素。為了準(zhǔn)確量化分析這種滲流的影響，需要建立滲流機(jī)制的數(shù)學(xué)模型。滲流的形成原因是多方面的，通常滲流影響的主要表征以滲流速度為準(zhǔn)。滲流速度的計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

式中：v為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致的滲流速度；K為巖體對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙滲流過(guò)程的影響系數(shù)；H為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的水頭損失；L為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的滲流長(zhǎng)度；J為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的水力梯度。

還可以采用公式（2）計(jì)算滲流過(guò)程中的滲流速度。

（2）

式中：v為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致的滲流速度；Q為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的滲流總量；A為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的滲流面積。

進(jìn)一步可以推導(dǎo)滲流速度各個(gè)方向上的分量與水頭損失的關(guān)系，如公式（3）所示。

（3）

式中：x為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的巖體條件的x向坐標(biāo)；y為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的巖體條件的y向坐標(biāo)；z為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的巖體條件的z向坐標(biāo)；wx為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致的滲流速度的x向分量；vy為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致的滲流速度的y向分量；vz為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致的滲流速度的z向分量；s為飽和狀態(tài)下抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙的巖體作用邊界；h為抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流時(shí)的水頭損失。

進(jìn)一步推導(dǎo)抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流的穩(wěn)定條件，其多元偏微分模型如公式（4）所示。

（4）

式中：Kx為巖體對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙滲流過(guò)程的影響系數(shù)的x向分量；Ky為巖體對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙滲流過(guò)程的影響系數(shù)的y向分量；Kz為巖體對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙滲流過(guò)程的影響系數(shù)的z向分量。

進(jìn)一步推導(dǎo)抽水蓄能電站上水庫(kù)壩體裂隙導(dǎo)致滲流的非穩(wěn)定條件，其多元偏微分模型如公式（5）所示。

（5）

3 上水庫(kù)大壩防滲處理和測(cè)試

上文對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)巖石壩體的裂隙問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了其典型特征，繪制了裂隙角度隨時(shí)間逐漸增大的變化曲線。并基于滲流速度這一關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建了裂隙導(dǎo)致的滲流模型。根據(jù)上述模型，可以了解到仿真環(huán)境下的上水庫(kù)大壩因裂隙導(dǎo)致的滲流情況。

滲流破壞主要包括以下2個(gè)方面。第一，當(dāng)巖石壩體原本就存在孔洞、裂縫時(shí)，滲流會(huì)在這些孔洞、裂縫中持續(xù)流動(dòng)，形成連通沖刷，從而使巖石壩體的裂隙率進(jìn)一步擴(kuò)大，增加風(fēng)險(xiǎn)概率。第二，當(dāng)巖石壩體原本不存在孔洞、裂縫時(shí)，在持續(xù)的浸泡沖刷腐蝕作用下，將巖石壩體相對(duì)薄弱的點(diǎn)位被沖開，從而產(chǎn)生新的孔洞或裂縫，給原本安全的巖石壩體帶來(lái)新的風(fēng)險(xiǎn)。這2種作用會(huì)隨著季節(jié)變化、降雨量多寡、河水水位高低而發(fā)生變化，作用強(qiáng)度也會(huì)有所不同。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中，需要區(qū)分不同季節(jié)情況下滲流作用的影響。本文試驗(yàn)將上水庫(kù)分為蓄水期和洪水期，以對(duì)應(yīng)正常水位和較高水位的不同情況。進(jìn)而考察蓄水期間上水庫(kù)巖石大壩可能出現(xiàn)滲漏問(wèn)題的安全狀況。在上水庫(kù)蓄水期，河水水位較高，大壩底部和根基部分所承受的水壓更大，發(fā)生滲漏的概率也更大，已經(jīng)出現(xiàn)的滲漏流速更快。上水庫(kù)巖石大壩在蓄水期發(fā)生滲漏的滲流方向仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2中，帶有箭頭的小線段表示滲漏發(fā)生的方向。從圖2可以看出，水流流向是從左向右的，水庫(kù)大壩左側(cè)根基處的滲漏十分密集。并且水面以上的大壩部分也可能存在一定程度的滲流，這與水浪掀起的高度和頻次有關(guān)。

進(jìn)一步觀察上水庫(kù)巖石大壩在正常水位下發(fā)生滲漏的滲流方向仿真結(jié)果，如圖3所示。

從圖3可以看出，河水流向是從左向右的，與圖2所示的蓄水期相比，在水位下，水庫(kù)大壩左側(cè)根基處的滲漏沒有那么密集。并且水面以上的大壩部分也可能存在一定程度的滲流，這與水浪掀起的高度和頻次有關(guān)。

為了有效解決裂隙問(wèn)題的影響，尤其是為了抑制滲流現(xiàn)象，需要對(duì)上水庫(kù)巖體大壩進(jìn)行注漿處理。注入液態(tài)漿體可以填塞裂隙空間，使巖體更密實(shí)，有效遏制滲流，避免滲流對(duì)壩體強(qiáng)度的影響。

在試驗(yàn)過(guò)程中，取上水庫(kù)上壩體的局部天然巖體作為研究對(duì)象。樣本巖體與上水庫(kù)整體的巖石構(gòu)成情況一致，均存在一定程度的裂隙，這些裂隙會(huì)造成滲流。本文采用內(nèi)部測(cè)定儀器觀察樣本巖體的內(nèi)部水含量，所得云圖效果如圖4所示。

接下來(lái)需要對(duì)樣本巖體進(jìn)行注漿處理，以填塞巖體內(nèi)部裂隙。注漿材料采用硅溶膠、PO42.5水泥以及含聚丙烯纖維PO42.5水泥。將注漿材料注入預(yù)制裂隙中并靜置48h后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，28d后取出待用。每種樣品重復(fù)試驗(yàn)3次，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過(guò)注漿處理后，再次觀察樣本巖體內(nèi)部的水分分布云圖，如圖5所示。

比較圖4和圖5可以明顯看出，經(jīng)過(guò)注漿處理后，樣本巖體內(nèi)部的裂隙得到了有效填充，部分巖體內(nèi)部水分分布區(qū)域的裂隙完全消除，部分區(qū)域的裂隙面積顯著縮小，充分證明了對(duì)于裂隙導(dǎo)致的滲流現(xiàn)象，采用注漿處理可有效提升上水庫(kù)壩體的安全性，也間接證明了本文研究工作的意義。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)抽水蓄能電站的上水庫(kù)大壩來(lái)說(shuō)，基于天然巖體雖然能加快施工進(jìn)度，節(jié)省成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，但是巖體在常年沉積、風(fēng)化等自然力的作用下存在大量的裂隙特征。這些裂隙存在于巖體內(nèi)部，不易被發(fā)現(xiàn)。裂隙特征的存在繪導(dǎo)致出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，滲流密集且滲漏量較大將會(huì)對(duì)巖體造成較大破壞，具有一系列安全風(fēng)險(xiǎn)。準(zhǔn)確分析巖體中的裂隙特征，并利用注漿技術(shù)進(jìn)行填充處理，能夠?qū)误w起到較好的加固作用，從而有效解決裂隙特征帶來(lái)的安全隱患，對(duì)提升巖體安全性、大壩安全性乃至整個(gè)上水庫(kù)和抽水蓄能電站的安全性都具有重要意義。

4 結(jié)論

上水庫(kù)是抽水蓄能電站的重要組成部分，執(zhí)行儲(chǔ)水蓄能任務(wù)。上水庫(kù)大壩基于天然巖體完成壩體建設(shè)，具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但是山石巖體含有諸多孔洞和裂隙。錯(cuò)綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)會(huì)形成滲流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致突水、涌泥和塌方等災(zāi)害。為了提升上水庫(kù)大壩的強(qiáng)度，本文針對(duì)巖體裂隙導(dǎo)致的滲流問(wèn)題進(jìn)行了模型化分析，在試驗(yàn)過(guò)程中給出了滲流方向的計(jì)算仿真結(jié)果。并進(jìn)一步采取注漿手段填塞巖體裂隙，有效提升了上水庫(kù)大壩的強(qiáng)度，防止發(fā)生滲流。

參考文獻(xiàn)

[1]李雪佳，池明波，吳寶楊.基于分布式光纖監(jiān)測(cè)的煤礦地下水庫(kù)層間覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律研究[J].中國(guó)煤炭，2022，48（9）：101-108.

[2]宋洪慶，呂陳平，李天昕.基于應(yīng)力-滲流-溶質(zhì)運(yùn)移耦合的煤礦地下水庫(kù)滲漏污染模擬研究[J].環(huán)境工程技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用2022，35（6）：235-244.

[3]彭斌，張琳，周永波.盾構(gòu)隧道下穿水庫(kù)引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究[J].低溫建筑技術(shù)，2022，44（5）：1012-1016.