某抽水蓄能電站裂隙巖體中洞室外水壓力的計(jì)算結(jié)果分析

王致遠(yuǎn) 周杰 吳艷 朱文武 劉明

摘 要：滲流與應(yīng)力耦合分析法主要考慮地下水對(duì)圍巖和襯砌的共同作用，從滲流理論出發(fā)計(jì)算水對(duì)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(yīng)力和地下水滲透力對(duì)圍巖和襯砌的耦合作用。這種方法將圍巖和襯砌當(dāng)作一個(gè)整體來共同承擔(dān)外水壓力，但是高壓水條件下，圍巖和襯砌間可能出現(xiàn)縫隙，此時(shí)外水壓力主要作用在襯砌上，而不是圍巖和襯砌共同承擔(dān)。

關(guān)鍵詞：某抽水蓄能電站裂隙巖體；外水壓力；計(jì)算結(jié)果分析

中圖分類號(hào)：TV139.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0099-02

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)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(jī)容量2400MW。上、下水庫(kù)主壩為碾壓混凝土重力壩，廠房系統(tǒng)采用中偏尾部的A、B兩個(gè)廠房分區(qū)布置，65°斜向進(jìn)水，兩個(gè)廠房最小間距150m。輸水發(fā)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(zhì)概況

廠房區(qū)分布地層巖性有：燕山四期（γ53（1））中細(xì)粒、中粗粒花崗巖；加里東期至燕山期的混合巖（Mγ3）；后期侵入的閃長(zhǎng)玢巖脈、花崗閃長(zhǎng)巖脈、煌斑巖脈；以及沿?cái)鄬訋秩氲氖?、螢石、方解石脈等。

廠房區(qū)探洞揭露斷層共有67條，以NE、NW、NNW三組為主。根據(jù)廠房探洞節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果，廠房區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)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(chǎn)狀N5-20°E，絕大部分傾向SE，少量?jī)ANW，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(chǎn)狀N35-60°W，絕大部分傾向NE，少量?jī)ASW，傾角多在60-85°。

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 巖體的透水性

通過對(duì)地下廠房區(qū)23個(gè)鉆孔共392段壓水試驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表明：地下廠房區(qū)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(qū)不存在強(qiáng)透水巖體，這些鉆孔的透水率在接近地表時(shí)較大，但隨著埋深的增加和高程的降低，透水率逐漸降低，個(gè)別試段的透水率有增大的現(xiàn)象，這與鉆孔揭露的斷層帶和巖脈有關(guān)，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(qiáng)透水帶：主要包括電站區(qū)的全、強(qiáng)風(fēng)化帶巖體、f304斷層破碎帶、NE向?qū)當(dāng)鄬雍蚇W向與f304斷層切割的斷層；（2）弱透水帶：弱風(fēng)化帶巖體；（3）微透水帶：微風(fēng)化帶和新鮮巖體、膠結(jié)好的巖脈。

1.3.2 地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系

地下廠房處的補(bǔ)給來源主要有大氣降雨補(bǔ)給和上庫(kù)通過f304斷層補(bǔ)給。上庫(kù)庫(kù)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(kù)庫(kù)水流向廠房的主要途徑。通過對(duì)電站區(qū)巖體的透水性、巖體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件分析，可以將電站區(qū)以f30沖溝為界分為兩個(gè)水文地質(zhì)單元。天然條件下，上水庫(kù)的主要補(bǔ)給源為大氣降水，通過庫(kù)水滲漏向f30沖溝和廠房、下水庫(kù)排泄；廠房和下水庫(kù)補(bǔ)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(jié)果分析

2.1 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

研究區(qū)進(jìn)行了大量的壓水試驗(yàn)，可以通過壓水試驗(yàn)結(jié)果來計(jì)算滲透系數(shù)，即：

（1）

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

根據(jù)壩區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征和巖性特點(diǎn)，將巖體在垂直方向上分為三個(gè)區(qū)，自上而下為強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶。根據(jù)各區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的單位吸水率大小和試坑試驗(yàn)結(jié)果，利用式（10）可以計(jì)算各區(qū)的滲透系數(shù)，取試段長(zhǎng)度L為6m，孔半徑r0為0.0375m，計(jì)算得到各區(qū)的滲透系數(shù)。電站區(qū)發(fā)育的斷層主要有NW和NE兩組。因此，這兩組斷層是電站區(qū)主要的控水結(jié)構(gòu)面，在建立三維裂隙網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主要考慮這兩組斷層。對(duì)其產(chǎn)狀（走向、傾向和傾角）、間距和破碎帶寬等幾何參數(shù)作了數(shù)理統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定出這些參數(shù)的概率分布形式，為Monte-Carlo模擬奠定了基礎(chǔ)。利用裂隙幾何參數(shù)的均值、方差和所滿足的分布規(guī)律，隨機(jī)產(chǎn)生電站區(qū)內(nèi)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(wǎng)絡(luò)。

2.2 外水壓力計(jì)算及預(yù)測(cè)

2.2.1 水道系統(tǒng)充水后內(nèi)水外滲量大小變化

水庫(kù)正常運(yùn)行期，當(dāng)水道系統(tǒng)充水后，在水道內(nèi)外水頭差作用下，水道內(nèi)的水會(huì)通過鋼筋混凝土襯砌向外發(fā)生滲漏，即內(nèi)水外滲。其內(nèi)滲量的大小與水道所處的位置有關(guān)，也與時(shí)間有關(guān)，考慮水庫(kù)正常運(yùn)行，上水庫(kù)蓄水位762m，下水庫(kù)蓄水位205m，A和B廠房水道系統(tǒng)充水，A、 B廠房上、中和下層廊道排水，高壓岔支管設(shè)置防滲帷幕，探硐246高程設(shè)置排水廊道。在水道沿線取幾個(gè)特征點(diǎn)來了解內(nèi)水外滲量的變化規(guī)律。其中A廠水道系統(tǒng)從引水隧洞到高壓隧洞取了四個(gè)特征點(diǎn)：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(tǒng)從引水隧洞到高壓隧洞取了三個(gè)特征點(diǎn)：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(tǒng)內(nèi)水外滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系：0時(shí)刻的流量表示初始時(shí)刻的外滲量，即通過水道內(nèi)的水位762m和水道附近的天然水位計(jì)算得到的，當(dāng)水道系統(tǒng)充水一天后，由于內(nèi)水外滲，地下水位會(huì)升高，相應(yīng)的外滲量會(huì)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(tǒng)存在內(nèi)水外滲，其水位的升高值仍然低于天然水位。隨著水道系統(tǒng)充水時(shí)間的增加，沿水道系統(tǒng)附近的水位也逐漸升高，水道系統(tǒng)內(nèi)外水頭差減小，外滲量也隨之減小，個(gè)別地方甚至減小到0。

可以看出，在水道系統(tǒng)的不同位置，內(nèi)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(tǒng)充水后，其內(nèi)外水頭差較小，故內(nèi)水外滲量變幅?。辉谙滦本拖缕蕉吹忍?，由于遠(yuǎn)離上水庫(kù)，地下水位較低，水道系統(tǒng)充水后，其內(nèi)外水頭差較大，故內(nèi)水外滲量變幅大。

2.2.2 內(nèi)水外滲對(duì)鋼支管外水壓力的影響

內(nèi)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(tǒng)放空后，鋼支管的內(nèi)水壓力突然降為0，水道系統(tǒng)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(huì)發(fā)生破壞，因此，通常應(yīng)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(jì)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(shè)計(jì)值1.8MPa，合乎設(shè)計(jì)要求。當(dāng)鋼筋混凝土襯砌開裂后外水壓力可以達(dá)到1.6MPa，大于設(shè)計(jì)值，鋼支管可能受到破壞，表明保證鋼筋混凝土襯砌正常運(yùn)行是相當(dāng)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(shí)也降低了246m高程以上的外水壓力。

2.2.3 水道系統(tǒng)放空條件下外水壓力變化

水道系統(tǒng)放空時(shí)，水道內(nèi)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(tǒng)外的水位下降較慢，水道系統(tǒng)內(nèi)、外壓力差形成水道的外水壓力。水道系統(tǒng)內(nèi)的水大約在38小時(shí)后放空，圖7和圖8顯示了水道系統(tǒng)放空時(shí)A、B廠引水系統(tǒng)外水壓力隨時(shí)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(huì)對(duì)水道系統(tǒng)產(chǎn)生破壞作用。對(duì)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(tǒng)的放空，外水壓力也逐漸降低。由于水道系統(tǒng)的圍巖抗拉和抗壓強(qiáng)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(tǒng)放空所產(chǎn)生的外水壓力一般不會(huì)對(duì)水道系統(tǒng)產(chǎn)生破壞作用。由于混凝土襯砌的阻水作用，使得水道系統(tǒng)外水位上升不大，當(dāng)水道系統(tǒng)放空時(shí)，不會(huì)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(yùn)行，一廠放空時(shí)外水壓力的變化

A廠水道系統(tǒng)充水運(yùn)行，B廠水道系統(tǒng)放空。此時(shí)A廠水道系統(tǒng)內(nèi)水外滲，B廠水道系統(tǒng)由于放空受到外水壓力的作用，計(jì)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(tǒng)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(wěn)定性較好，加之該區(qū)地層巖性主要為花崗巖，抗壓和抗拉強(qiáng)度較高，因此B廠水道系統(tǒng)放空時(shí)所受的外水壓力不會(huì)使水道系統(tǒng)發(fā)生破壞。當(dāng)B廠水道系統(tǒng)放空后，水道會(huì)受到一定的外水壓力作用，與A廠內(nèi)水外滲相反，此時(shí)B廠水道發(fā)生外水內(nèi)滲。

A廠水道系統(tǒng)充水放空，B廠水道系統(tǒng)運(yùn)行。同前面一樣，主要是從A廠水道系統(tǒng)受到的外水壓力和外水內(nèi)滲量的大小來分析。計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于水道系統(tǒng)圍巖的抗壓強(qiáng)度，因此A廠水道系統(tǒng)放空時(shí)所受的外水壓力不會(huì)使水道系統(tǒng)發(fā)生破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

在水庫(kù)正常運(yùn)行期間，廠房和高壓岔、支管防滲、排水系統(tǒng)正常時(shí)，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(qiáng)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(shè)計(jì)的外水壓力1.80MPa，在水道系統(tǒng)放空時(shí)，不會(huì)對(duì)鋼、支管造成破壞。當(dāng)鋼筋混凝土襯砌開裂時(shí)，外水壓力增幅達(dá)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(shè)計(jì)時(shí)所承受的外水壓力，有可能對(duì)鋼、支管造成破壞。

一廠運(yùn)行，一廠放空所計(jì)算的外水壓力比兩廠同時(shí)運(yùn)行計(jì)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(tǒng)本身的強(qiáng)度，因此被放空的水道不會(huì)受到外壓破壞。