自一里電站地下硐室涌突水危險(xiǎn)性分析

張世殊，劉希，施裕兵，許模，彭仕雄，康小兵

自一里電站地下硐室涌突水危險(xiǎn)性分析

張世殊1，劉希2，施裕兵1，許模2，彭仕雄1，康小兵2

（1．中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；2．成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059）

地下工程涌突水是影響工程施工及運(yùn)行的一個(gè)重要問題，目前對(duì)水電站地下工程涌突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的研究較少。本文以自一里水電站為例，參考已有且較為完善的巖溶隧道涌突水及非可溶巖長(zhǎng)深隧道涌突水的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，從地下水通道和地下水來(lái)源(補(bǔ)給)兩個(gè)涌突水控制因素入手，綜合分析各項(xiàng)要素，對(duì)自一里電站地下硐室的涌突水危險(xiǎn)性進(jìn)行初步分區(qū)。結(jié)果表明：自一里電站廠址區(qū)整體涌突水危險(xiǎn)性較低，但在局部地段有發(fā)生涌水的可能。廠址區(qū)硐室按照涌突水危險(xiǎn)性高低可分為較高危險(xiǎn)區(qū)、中等危險(xiǎn)區(qū)和低危險(xiǎn)區(qū)。

巖體滲透性；地下水來(lái)源識(shí)別；涌突水危險(xiǎn)性分析；自一里水電站

水利水電工程的地下洞室多數(shù)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，施工中的擾動(dòng)極易導(dǎo)致涌突水災(zāi)害發(fā)生，嚴(yán)重影響施工安全和施工進(jìn)度，并可能引發(fā)次生地質(zhì)環(huán)境問題[1]。近年來(lái)，隨著西南地區(qū)多個(gè)水利工程的建設(shè)和運(yùn)行，地下硐室涌突水問題成為確保施工和運(yùn)行安全需要解決的重大難題之一[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種數(shù)學(xué)方法來(lái)建立巖溶涌突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)及評(píng)估模型，形成了一系列定性或定量的評(píng)價(jià)理論[3]。如韓行瑞提出了隧道巖溶涌水專家評(píng)判系統(tǒng)，從隧道揭露巖溶特性的4個(gè)方面對(duì)突涌水災(zāi)害進(jìn)行評(píng)判[4]；朱超綜合選取了災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)特征指標(biāo)和地下水涌水特征指標(biāo)，建立了巖溶災(zāi)害預(yù)警專家系統(tǒng)[5]；楊艷娜選取了巖石可溶性、地質(zhì)構(gòu)造因素、地表匯水條件、地下水循環(huán)交替條件和隧道埋深與地下水位的關(guān)系等5個(gè)基本因素，建立了西南山區(qū)巖溶隧道施工期涌突水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)系統(tǒng)[6][7]。針對(duì)非可溶巖地區(qū)的涌突水問題，鐘金先，董海寶選取了巖石的滲透性和力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造條件、地表匯水條件、隧道埋深與地下水位的關(guān)系和最大主應(yīng)力與主要結(jié)構(gòu)面的關(guān)系等5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)巴朗山隧道和高黎貢山越嶺隧道進(jìn)行涌突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[8][9]；許增光等選取了地層巖性、巖層傾角、不良地質(zhì)、地表匯水條件、隧洞底部水頭壓力、巖性接觸帶及節(jié)理裂隙發(fā)育程度與洞身的結(jié)合性等7個(gè)指標(biāo)對(duì)非可溶巖長(zhǎng)深隧道進(jìn)行涌突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[10]。

目前的涌突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)對(duì)象多是巖溶地區(qū)的長(zhǎng)深隧洞，偶有非可溶巖地區(qū)的隧道。在水電工程中，一般是從圍巖透水性和地下水滲漏兩個(gè)方面評(píng)價(jià)施工對(duì)地下工程的影響。專門分析地下工程涌突水危險(xiǎn)性的文章較少。本文以自一里水電站為例，結(jié)合上述評(píng)價(jià)體系，嘗試通過綜合巖體裂隙發(fā)育和裂隙地下水補(bǔ)徑排的特征，對(duì)廠址區(qū)地下硐室的涌突水危險(xiǎn)性進(jìn)行初步分區(qū)分析，以期為相關(guān)研究及水電工程的安全施工運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

自一里水電站[11]為火溪河“一庫(kù)四級(jí)”梯級(jí)開發(fā)方案的第二級(jí)引水式電站，裝機(jī)容量120MW，發(fā)電引用流量30.4m3/s，設(shè)計(jì)水頭445.0m。地下廠房洞室布置在右岸。電站廠址區(qū)山嶺海拔高度2 500～4 000m，溝谷切割，具中高山～高山峽谷地貌，其高程較高地帶基巖出露完整，谷坡陡峻，植被茂盛。火溪河自西北向東南流經(jīng)廠址區(qū)，左岸Ⅰ級(jí)階地發(fā)育，地形開闊。兩岸均發(fā)育支溝，溝谷切割相對(duì)高差500～1 000余米。溝內(nèi)常年有水，流量較大。廠址區(qū)主要分布第四系崩坡積物和印支期二云母花崗巖體夾變質(zhì)砂巖捕虜體（圖1），左岸岸坡1 650m高程以下廣泛分布崩坡積成因含泥塊碎石、塊碎石土層；右岸岸邊在PD4硐上游和PD5硐1 573m高程以上為裸露基巖分布區(qū)，其坡腳地帶多為崩積成因含泥碎塊石層覆蓋。在高程更高地區(qū)，分布有震旦系上統(tǒng)變質(zhì)石英砂巖（板巖）捕虜體。在低高程平硐中，變質(zhì)砂巖發(fā)育面積較多，較高高程的平硐中花崗巖發(fā)育面積較多，其中，右岸PD6平硐完全發(fā)育二云母花崗巖體，沒有見到砂巖捕虜體。廠址區(qū)地下水可以劃分為：崩、沖積碎塊砂卵石層孔隙水、花崗巖和變質(zhì)砂巖裂隙水。地下平硐內(nèi)主要出露花崗巖和變質(zhì)砂巖裂隙水，巖體含水貧乏，主要出水點(diǎn)多以滴水和線狀流水為主，為脈狀裂隙水。

圖1 自一里水電站廠址區(qū)綜合水文地質(zhì)圖（圖改自梁杏[12]）

1.主要出水點(diǎn)及編號(hào)；2.線狀出水點(diǎn)；3.地下水流線；4.來(lái)源較高處地下水流線；5.平硐編號(hào)；6.巖性分界線；7.花崗巖(含變質(zhì)砂巖捕虜體)；8.變質(zhì)砂巖；9.花崗巖變質(zhì)砂巖交替

2 平硐地下水通道

2.1 平硐裂隙發(fā)育特征

廠址區(qū)裂隙較發(fā)育，以NW向和NE向裂隙最為發(fā)育，根據(jù)區(qū)內(nèi)所測(cè)裂隙資料[12]統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)裂隙傾角的概率統(tǒng)計(jì)顯示，傾角基本呈正態(tài)分布，區(qū)內(nèi)裂隙的優(yōu)勢(shì)方向主要有以下四組：第一組：NE5°～70°∠45°～80°，第二組：SE120°～170°∠35°～80°，第三組：SW215°～250°∠15°～30°（緩傾角），第四組：SW215°～250°∠70°～85°（陡傾角）。

各平硐花崗巖裂隙發(fā)育優(yōu)勢(shì)方向不是很明顯，裂隙組數(shù)較多，這與花崗巖巖體較堅(jiān)硬不易受構(gòu)造應(yīng)力影響，成巖裂隙受侵入狀態(tài)有關(guān)。平硐內(nèi)變質(zhì)砂巖裂隙通常發(fā)育2~3組，受砂巖產(chǎn)狀控制，PD4砂巖的優(yōu)勢(shì)裂隙發(fā)育方向有兩組：①傾向NE15°~50°，傾角30°~60°；②傾向NW295°~310°，傾角50°~60°。PD5砂巖的優(yōu)勢(shì)裂隙發(fā)育方向兩組為：①傾向N E 30°~40°，傾角40°~60°；②傾向SE160°~SW200°，傾角10°～15°。PD7砂巖的優(yōu)勢(shì)裂隙發(fā)育方向有3組為：①傾向NE10°~80°，傾角15°～90°；②傾向SW220°~250°，傾角5°~30°；③傾向NW285°~355°，傾角50°～90°。

從跡長(zhǎng)分布來(lái)看，廠址區(qū)以極短、短裂隙為主，跡長(zhǎng)主要分布在0.5m~3m之間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析跡長(zhǎng)與裂隙傾向無(wú)太大的關(guān)系，與裂隙傾角關(guān)系密切。其中陡傾角裂隙的跡長(zhǎng)分布集中，較大跡長(zhǎng)為3.5m，平均跡長(zhǎng)為1.9m；緩傾角的跡長(zhǎng)分布較分散，較大跡長(zhǎng)達(dá)7.7m，平均跡長(zhǎng)為3.8m。廠址區(qū)裂隙跡長(zhǎng)隨埋深加大，呈減小趨勢(shì)。埋深小于220m范圍，跡長(zhǎng)變化較大，較大跡長(zhǎng)可達(dá)5~7m；當(dāng)埋深大于250m，裂隙跡長(zhǎng)多小于3m。

廠址區(qū)裂隙間距呈正態(tài)分布特征，間距基本分布在0.2~2.2ｍ，裂隙密度約為0.5～3.5條/m屬于中等-寬間距。硐內(nèi)裂隙測(cè)量以構(gòu)造裂隙為主（顯裂隙，成巖的閉合或隱性裂隙不測(cè)量）。量測(cè)的最小隙寬為0.02mm (塞尺的最小值)，最大可達(dá)到25mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)小于0.1mm隙寬的裂隙占全部裂隙的42%左右，0.1～1.0mm的隙寬約占46%，大于1.0mm的隙寬占12%。小于0.5mm裂隙占78.8%?？傮w屬密閉型裂隙。

廠址區(qū)巖體裂隙發(fā)育程度較低，線裂隙率小于2.5‰的測(cè)點(diǎn)占85％，裂隙率在2.5‰～4.5‰的占11％，大于4.5‰占4％。線裂隙率近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布特征。裂隙率大于1‰的測(cè)點(diǎn)位置分布，大多位于層內(nèi)層間錯(cuò)動(dòng)帶。

2.2 巖體滲透性

在電站PD7平硐0+502及支硐502+55處布置了11個(gè)鉆孔，進(jìn)行常壓壓水試驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的呂宋值（Lu）進(jìn)行分析[11]。巖層的Lu值主要在0～16Lu之間，有4個(gè)壓水段在35～84Lu之間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)（圖2），其中Lu值≤4占84.8%，Lu 4~10占7.6%，Lu 10~16占2.5%，Lu >16占5.2%。通過對(duì)小Lu值（小于4）的統(tǒng)計(jì)分析（圖3），小于1的占65%，Lu的頻率隨Lu值的增大呈指數(shù)降低。整體上，巖體的滲透性差。綜合來(lái)看，廠址區(qū)裂隙巖體滲透性較低，出現(xiàn)涌水或滲漏的可能性相對(duì)較低。

圖2 全部Lu值統(tǒng)計(jì)直方圖

圖3 小Lu值0-4頻率分布圖

根據(jù)平硐裂隙發(fā)育特征及壓水試驗(yàn)結(jié)果分析，將自一里電站廠址區(qū)巖體滲透性劃分為四個(gè)區(qū)，各區(qū)的主要特征見表1。廠址區(qū)巖體砂巖的滲透性比花崗巖要高，受變質(zhì)砂巖分布的影響，PD7的I區(qū)分布范圍較大，而PD6的范圍最小；在III區(qū)砂巖分布范圍較大時(shí)，接觸帶處的巖體滲透性相對(duì)較大，就會(huì)有II 區(qū)局部出現(xiàn)；平硐主要出水點(diǎn)均分布在I、II區(qū)，滲透性較強(qiáng)帶。

表1 廠址區(qū)巖體滲透性分區(qū)說明

備注：Ⅰ中等透水性;II.弱透水性;III微透水性;IV.基本不透水；k0.平均綜合滲透系數(shù)；k1.平均滲透主值。

3 地下硐室地下水來(lái)源

分別對(duì)平硐的裂隙水（分布見圖1），廠址區(qū)火溪河和支溝的地表水，雨量站的降水等水體取水樣進(jìn)行水化學(xué)常規(guī)分析和D、18O同位素分析。從分析結(jié)果來(lái)看：自一里電站廠址區(qū)地下水的主要來(lái)源為大氣降水。地下水離子含量不高，整體礦化度較低。部分平硐水化學(xué)特征和同位素特征與附近地表水相似，表明部分平硐裂隙水同時(shí)接受了附近河溝的地表徑流補(bǔ)給。利用本區(qū)地表水樣進(jìn)行高程效應(yīng)的半定量分析[13]，可得到各主要硐室的補(bǔ)給高程。平硐的補(bǔ)給高程整體相對(duì)較高，在2 200~2 700m之間。結(jié)合平硐地下水的礦化度特征;發(fā)現(xiàn)平硐裂隙水礦化度整體較低，徑流較快。其中PD6出水點(diǎn)的礦化度最低，與地表水的礦化度相差不大，表明平硐地下水的徑流路徑和時(shí)間較短，附近區(qū)域可能存在淺部循環(huán)系統(tǒng)。

綜合平硐水文地質(zhì)調(diào)查，對(duì)平硐出水點(diǎn)的分布、硐溫（包括水溫）變化、水化學(xué)成分和同位素特征分析，可以得出各主要平硐裂隙水的補(bǔ)給與徑流排泄特征如下：PD7平硐地下水來(lái)自較高地表的降水入滲，同時(shí)接受附近溝谷地表水補(bǔ)給，為遠(yuǎn)源補(bǔ)給。PD4和PD5平硐地下水來(lái)自較低的地表降水入滲補(bǔ)給；兩平硐的水同時(shí)存在近源補(bǔ)給和遠(yuǎn)源補(bǔ)給的特征。PD6平硐的補(bǔ)給高程接近平硐本身的高程，具明顯的近源補(bǔ)給條件；硐水礦化度和同位素特征均表明，此平硐處于淺表風(fēng)化裂隙水循環(huán)帶，與附近地下水形成一個(gè)淺層局部裂隙水系統(tǒng)。

4 地下硐室涌突水危險(xiǎn)性分析

廠址區(qū)巖體主要由花崗巖夾變質(zhì)砂巖透鏡體組成，在淺表主要發(fā)育風(fēng)化裂隙，受區(qū)域隆升和剝蝕作用影響，風(fēng)化帶深度不大；巖體的構(gòu)造裂隙也不強(qiáng)烈，除接觸帶外，花崗巖和變質(zhì)砂巖的裂隙張開度很小，延伸不長(zhǎng)。廠址區(qū)裂隙水分布不均勻，水量不大?？傮w來(lái)看，自一里電站廠址區(qū)裂隙巖體滲透性整體較低，地下水流量較小，徑流較快，發(fā)生涌突水可能性不大。但由于巖體裂隙分布不均勻，接觸帶較發(fā)育，裂隙深度較大，地下水徑流條件較好，在強(qiáng)降雨或其它突發(fā)性不良地質(zhì)條件影響下，地下硐室仍面臨一定的涌突水危險(xiǎn)。

廠址區(qū)4個(gè)主要平硐中硐壁均有滲水和潮濕現(xiàn)象，但集中涌水點(diǎn)多數(shù)為滴水和線狀流水。一開始涌水量較大，隨開挖時(shí)間的延長(zhǎng)，水量有明顯減小的特點(diǎn)。從平硐水樣的水化學(xué)特征分析，平硐連續(xù)出水點(diǎn)主要集中在花崗巖與砂巖接觸部位，其補(bǔ)給區(qū)相對(duì)較高，沿連通性好的接觸帶裂隙運(yùn)動(dòng)，礦化度較低。從平硐的硐溫分析，硐溫在弱風(fēng)化段內(nèi)隨硐深的增加而降低，弱風(fēng)化段以下隨硐深的增加而增高；在裂隙相對(duì)較發(fā)育段，硐溫受到地下水徑流的影響而降低。結(jié)合前述平硐裂隙水的補(bǔ)徑排條件及巖體滲透性特征對(duì)地下硐室的涌突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分區(qū)分析，可大致將廠址區(qū)地下硐室分為三個(gè)區(qū)：較高危險(xiǎn)區(qū)、中等危險(xiǎn)區(qū)，低危險(xiǎn)區(qū)。各分區(qū)的主要涌水特征見下表2：

表2 地下硐室涌突水危險(xiǎn)性分區(qū)特征

5 結(jié)論

1）自一里電站廠址區(qū)裂隙巖體滲透性整體較低，地下水流量較小，徑流較快，發(fā)生涌突水的可能性不大。但由于巖體裂隙較為發(fā)育，且裂隙深度較大，地下水徑流條件較好，在強(qiáng)降雨或其它突發(fā)性不良地質(zhì)條件影響下，電站地下硐室，尤其是接觸帶較發(fā)育帶仍具有一定的涌突水危險(xiǎn)性。

2）根據(jù)平硐地下水的來(lái)源及補(bǔ)徑排條件，結(jié)合巖體滲透性特征對(duì)地下硐室的涌突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分區(qū)分析，可大致將廠址區(qū)地下硐室分為三個(gè)區(qū)：較高危險(xiǎn)區(qū)、中等危險(xiǎn)區(qū)，低危險(xiǎn)區(qū)?？勺鳛槭┕げ町惢劳凰胧┰O(shè)計(jì)的依據(jù)。

3）低危險(xiǎn)性區(qū)的硐室出水點(diǎn)流量較小且出水點(diǎn)較少，其水源補(bǔ)給高程較高，徑流流程較遠(yuǎn)。中等危險(xiǎn)性區(qū)周邊為標(biāo)志砂巖和花崗巖接觸帶，區(qū)內(nèi)大部分硐室滲透性較高，且硐內(nèi)出水點(diǎn)較多，流量較大。較高危險(xiǎn)性區(qū)處于淺表風(fēng)化裂隙水循環(huán)帶，區(qū)內(nèi)硐室出水點(diǎn)流量較大其周圍地下水徑流流程短。

[1] 李術(shù)才，劉斌，孫懷鳳，等．隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(6)：1090-1113．

[2] 任旭華，束加慶，單治鋼，等．錦屏二級(jí)水電站隧洞群施工期地下水運(yùn)移、影響及控制研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009：28(1)：2891-2897．

[3] 許模：趙紅梅：趙勇：楊艷娜．季節(jié)變動(dòng)帶內(nèi)巖溶隧道涌突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)：2015：11(05)：1322-1327．

[4] 韓行瑞．巖溶隧道涌水及其專家評(píng)判系統(tǒng)[J]．中國(guó)巖溶，2004：23(3) ：213-218．

[5] 朱超．宜萬(wàn)鐵路隧道施工期巖溶災(zāi)害預(yù)警及防治對(duì)策研究[D]北京：北京交通大學(xué)，2008．

[6] 楊艷娜．西南山區(qū)巖溶隧道涌突水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究[D]成都：成都理工大學(xué)，2009．

[7] 楊艷娜：曹化平：許模．巖溶隧道涌突水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及量化取值方法[J]．現(xiàn)代地質(zhì)：2015：29(02)：414-420．

[8] 鐘金先．巴朗山隧道涌突水災(zāi)害危險(xiǎn)性研究[D]．成都：成都理工大學(xué)：2010．

[9] 董海寶．非可溶巖隧道涌突水量及危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)探析[D]．成都：成都理工大學(xué)：2011．

[10] 許增光：王亞萍：肖瑜等．長(zhǎng)深隧洞突涌水危險(xiǎn)性等級(jí)指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法[J]．中國(guó)公路學(xué)報(bào)：2018：31(10)：91-100．

[11] 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院：中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司． 四川省火溪河自一里水電站廠址區(qū)水文地質(zhì)條件及調(diào)壓室區(qū)巖體滲透性研究[R]．2003

[12] 梁杏：鐘嘉高：施裕兵等．四川自一里水電站氣墊式調(diào)壓室圍巖滲透性評(píng)價(jià)[J]．地球科學(xué)：2006(03)：417-422．

[13] 王恒純.同位素水文地質(zhì)概論[M]. 北京：地質(zhì)出版社,1991.

Analysis of the Danger of Bursting Surge in Underground Project at the Site of the Ziyili Power Station

ZHANG Shi-shu1LIU Xi2SHI Yu-bing1XU Mo2PENG Shi-xiong1KANG Xiao-bing2

(1- Chengdu Survey Design & Research Institute Co., Ltd.,China Power Construction Group,Chengdu 610072; 2-State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

This paper has a discussion on influence of bursting surge on project construction by the example of construction of the Ziyili Power Station, referring to the existing and perfect evaluation system of the karst tunnel surge and non-soluble rock and long deep tunnel surge, and starting from the two water control factors of groundwater channel and groundwater source. The results show that risk of the overall surge at the site of the Ziyili power station is low, but there is still the possibility of bursting surge in the local area. The room site can be roughly divided into high danger zone, medium danger zone and low danger area according to the risk of surge water.

rock permeability; groundwater source identification; analysis of the danger of surge; Ziyili hydropower station

2020-01-02

中國(guó)電建集團(tuán)成都院科技項(xiàng)目（編號(hào)：P238-2014）

張世殊（1970-），男，重慶涪陵人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)及巖土工程勘察工作

康小兵（1981—），男，江蘇丹陽(yáng)人，博士，副教授，主要從事地下水科學(xué)與工程的教學(xué)研究

P642.4

A

1006-0995（2020）01-0064-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.014