高壓引水隧洞滲流分析研究

□劉琳琳□董永霞□王耀軍

（1商丘市水利建筑勘測設(shè)計院；2黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司）

?

高壓引水隧洞滲流分析研究

□劉琳琳1□董永霞1□王耀軍2

（1商丘市水利建筑勘測設(shè)計院；2黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司）

摘要：應(yīng)用FLAC3D程序?qū)煽啥嘈量死谞査姽こ虄蓷l高壓引水隧洞三種工況的滲流場進行了數(shù)值仿真計算，研究了高壓引水隧洞采用透水襯砌設(shè)計時，滲流場中水壓的變化情況。結(jié)果表明：固結(jié)灌漿對降低隧洞的滲透壓力有顯著效果，一定要保證灌漿深度和質(zhì)量；在施工完建期和檢修期，隧洞的外水壓力明顯大于內(nèi)水壓力，充水運行期內(nèi)外水壓差別不大；檢修期，放空速度對于引水隧洞的孔壓變化情況有著十分顯著的影響。

關(guān)鍵詞：水壓力；滲流場；高壓引水隧洞；壓差

1工程概況

科卡科多-辛克雷水電工程是厄瓜多爾國內(nèi)特大型水電項目，裝機1500 mW，距離基多市約140 km的納波省的可卡科多河。水庫最高發(fā)電水位1231 m，正常發(fā)電水位1229.50 m，最低發(fā)電水位1216 m。水電站引水隧洞系統(tǒng)由上平段、豎井段、下平段三部分組成，下平段后半部分采用鋼板襯砌，其余均為鋼筋混凝土襯砌。鋼筋混凝土襯砌段隧洞內(nèi)徑5.80 m，混凝土襯砌厚度60 ，90 cm，內(nèi)水最大靜水頭超過600 m，為高壓引水隧洞。

2計算原理和方法

FLAC3D程序中的流動模型與力學(xué)模型同時建立，模型考慮了流體與巖體之間的相互作用，既可以計算完全飽和情況下的流動，也可以模擬具有自由水面的流動。

3計算區(qū)域及模型建立

圖1　三維滲流數(shù)值計算區(qū)域圖

場區(qū)滲流場數(shù)值計算模型的坐標系為：X軸與1#引水隧洞下平段洞軸線重合，指向下游方向為正；Z軸為鉛直方向，向上為正，為模擬區(qū)域的實際高程；Y軸與1#引水隧洞下平段洞軸線垂直，偏北方向為正方向；坐標原點取在1#引水隧洞下平段入口斷面的中心點。進行滲流數(shù)值模擬計算時對其中的兩條影響較大的破碎帶加以考慮具體三維滲流數(shù)值計算區(qū)域見圖1。滲流計算監(jiān)測斷面布置位置詳見表1。

表1　滲流計算監(jiān)測斷面布置位置表

4高壓引水隧洞滲流場計算分析

滲流計算包含施工完建期、充水運行期和檢修期三種工況。

4.1隧洞施工完建期滲流場計算分析

施工完建期的滲流場分析分有固結(jié)灌漿圈和無固結(jié)灌漿圈兩種，1#引水管道和2#引水管道在豎井段及下平段的滲流場分布規(guī)律基本相似。以1#洞為例，如圖2～5所示，引水隧洞附近區(qū)域的滲流場比原地下滲流場有變，無固結(jié)灌漿圈時所產(chǎn)生的影響比有固結(jié)灌漿圈時的變化更加顯著。

在施工完建期，引水隧洞未充水，襯砌內(nèi)表面孔壓為0，襯砌外表面孔壓和固結(jié)灌漿圈外表面孔壓主要受到原地下滲流場的影響。對于高程在地下水位以上的區(qū)域，襯砌外表面孔壓與固結(jié)灌漿外表面孔壓均為0。對于布置在豎井段而其高程又低于該處地下水位區(qū)域，襯砌外表面孔壓與固結(jié)灌漿外表面孔壓隨埋深增加而不斷增大。對于下平段區(qū)域，襯砌外表面孔壓和固接灌漿外表面孔壓隨地下水位的下降而減小。對于同一斷面，尤其是豎井下半段與下平段位置，對于襯砌外表面的孔壓值，有固結(jié)灌漿圈時比沒有固結(jié)灌漿圈時的孔壓降低了很多，這說明固結(jié)灌漿起到了良好的阻滲作用。

4.2隧洞充水運行期的滲流分析

正常蓄水條件下，上游邊界處水位為123 m（正常蓄水位），下游邊界水位為680 m。充水運行期，襯砌澆筑及固結(jié)灌漿等均全部完成。

高壓隧洞充水后，襯砌、灌漿圈等受到內(nèi)水壓力作用明顯，與施工期的滲流場分布情況相比，此時內(nèi)水作用的影響非常顯著，尤其是對于豎井段和下平段隧洞內(nèi)水壓力較大的斷面。

在運行期，混凝土襯砌開裂，內(nèi)外壓差相差不是很大，孔壓由襯砌內(nèi)表傳遞到襯砌外表，其水頭大約有3～9 m的下降。襯砌外表面與固結(jié)灌漿圈外表面孔壓差別較大，孔壓由襯砌外表傳遞到固結(jié)灌漿外表，水頭大約有67～220 m的下降。在斷裂帶附近固結(jié)灌漿內(nèi)外表面水頭差達到300多米，這主要是由于受到斷層的影響，固結(jié)灌漿外表面孔壓較低的緣故，因此該區(qū)域的灌漿深度應(yīng)適當(dāng)增加，降低隧洞單位面積上的滲漏量。

4.3隧洞檢修放空期的滲流計算分析

4.3.1單管檢修

在2#引水隧洞檢修放空的過程中，2#引水管道各典型斷面處襯砌內(nèi)表面位置的孔壓隨放空時間逐漸降低為0，襯砌外表面孔壓也隨之逐漸消散，受固結(jié)灌漿圈的影響，固結(jié)灌漿外表面位置的孔壓雖也有所降低，但是降低的幅度較小。在2#引水隧洞完全放空時，2#引水管道襯砌外表面孔壓相對于放空初始時刻，其消散的程度達到了21%～59%左右，而固結(jié)灌漿外表面的孔壓變化很小，其消散的程度還不到2%。

在放空檢修的過程中，襯砌內(nèi)外表面和固結(jié)灌漿內(nèi)外表面的孔壓差經(jīng)歷一個十分明顯的變化過程，隨著襯砌外表面孔壓的不斷消散，襯砌內(nèi)外表面孔壓差也會隨之不斷降低，因此檢修階段的水力坡降為瞬時值，不是長期穩(wěn)定值，對襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖固結(jié)灌漿圈的穩(wěn)定性進行分析時要考慮到這一點。

2#引水隧洞檢修放空并沒有對1#引水隧洞的滲流場產(chǎn)生太大影響，詳見圖7。

4.3.2雙管檢修

在放空的整個過程中，2#引水隧洞襯砌內(nèi)外表面（外壓大于內(nèi)壓）最大壓差為387.88 m，1#引水隧洞襯砌內(nèi)外表面最大壓差為384.61 m，出現(xiàn)最大壓差的位置相同，且兩條引水洞之間的相互影響很小。

4.3.3放空速度對孔壓變化的影響

圖2　初始地下水滲透孔壓和水位分布圖

圖3　整體滲流壓力分布圖（有固結(jié)灌漿圈）/pa

圖4　局部滲透壓力及流速矢量分布圖（有固結(jié)灌漿圈）/Pa

圖5　局部滲透壓力及流速矢量分布圖（無固結(jié)灌漿圈）/Pa

圖6　2#引水隧洞檢修期豎井段滲流場圖

圖7　雙管檢修期階段豎井段滲流場圖

以上結(jié)果是按照3 m/h的放空進行的，為了定量分析豎井2#引水隧洞1#引水隧洞2#引水隧洞1#引水隧洞段放空速度對于引水管道襯砌內(nèi)外表面孔壓的影響，將豎井段放空速度設(shè)定為4 m/h，因1#引水隧洞和2#引水隧洞相互影響較小，針對單管放空的情況進行計算。

當(dāng)豎井段放空時間由3 m/h改為4 m/h時，固結(jié)灌漿內(nèi)外表面的水力坡降變化速度相對減小，大小也有所降低，而襯砌內(nèi)外表面水力坡降的變化速度則迅速增大，且其最大值也有較大程度的提高。當(dāng)豎井段放空速度為3 m/h時，襯砌內(nèi)外表面孔壓最大差值為387.88 m，水力坡降的最大值為646.47；豎井段放空速度為4 m/h時，襯砌內(nèi)外表面孔壓最大差值為422.08 m，水力坡降的最大值為703.47，出現(xiàn)的位置和時段基本相同。

由此可見，襯砌內(nèi)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(qū)域，在實際檢修放空過程中需要特別注意。

5小結(jié)

根據(jù)高壓隧洞不同工況下滲流場的分析，對高壓隧洞設(shè)計和運行施工提出如下建議：一是固結(jié)灌漿措施是保證高壓引水隧洞結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵所在，細致周密的灌漿圈不但可以減少運行期的內(nèi)水外滲流量，減小隧洞沿線山體由于地下水位升高而發(fā)生滑坡破壞的可能，而且在檢修期間，可以作為襯砌的一道擋水屏障，減少作用于襯砌外表面的水壓力，避免襯砌發(fā)生外壓破壞。在保證灌漿深度的同時，加強灌漿圈密實性的檢查，做好灌漿規(guī)劃與質(zhì)量檢查，避免漏灌；二是檢修期間，襯砌內(nèi)外表面和固結(jié)灌漿內(nèi)外表面將存在較大的壓差和水力坡降，這對于襯砌和固結(jié)灌漿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有十分重要的影響。同時，放空速度對于引水隧洞的孔壓變化情況有著十分顯著的影響，放空速度越大，放空過程中出現(xiàn)的襯砌內(nèi)外表面最大壓差和最大水力坡降也相應(yīng)增大，因此，在實際檢修放空的過程中，對于放空的速度，應(yīng)當(dāng)進行嚴格的控制。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

中圖分類號：TV223.4

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）05-0064-03

作者簡介：劉琳琳（1982-），女，工程師，長期從事水利水電工程設(shè)計工作。

收稿日期：2016-01-05