抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)襯砌型式研究

黃銀偉 , 劉志青 ,張利沙

(1.浙江華東巖土勘察設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310030;2.浙江水利水電學(xué)院 測繪與市政工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

金寨抽水蓄能電站位于安徽省境內(nèi),電站樞紐由上水庫及上水庫的壩址區(qū)、輸水系統(tǒng)、地下廠房,下水庫及下水庫的壩址區(qū)、地面開關(guān)站等主要建筑物組成,電站裝機(jī)容量為4×300 MW。輸水系統(tǒng)布置于上下水庫之間山體內(nèi),總長約2 926.2 m,引水及尾水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)布置。上水庫進(jìn)/出水口采用側(cè)向閘門豎井式布置;引水系統(tǒng)平面呈直線布置,立面采用一級豎井布置,全長約2 407.7 m,上平洞末端設(shè)置引水調(diào)壓室;尾水系統(tǒng)平面按直線布置,立面采用一級斜井的布置型式,全長約518.5 m;下水庫進(jìn)/出水口采用側(cè)向閘門豎井式布置。

1 工程地質(zhì)條件

輸水系統(tǒng)沿線山體雄厚,洞室圍巖主要為文家?guī)X組上段(Ar2W2)黑云鉀長片麻巖、二長片麻巖。沿線斷層不發(fā)育,穿越輸水系統(tǒng)的斷層規(guī)模大多較小,主要有f301—f307等,均為Ⅲ—Ⅳ級結(jié)構(gòu)面。節(jié)理輕度發(fā)育,以N25°—40°E,NW∠65°～75°為主。圍巖以Ⅲ類、Ⅱ類為主,局部為Ⅳ類,斷層破碎帶為Ⅳ—Ⅴ類,局部需加強(qiáng)支護(hù)處理。沿線洞室多位于地下水位以下,在斷層通過或節(jié)理發(fā)育洞段可能出現(xiàn)短時的涌水現(xiàn)象,需采取抽排水措施。

2 輸水系統(tǒng)襯砌型式分析及評價

抽水蓄能電站高壓隧洞的襯砌型式主要有鋼筋混凝土襯砌和鋼板襯砌兩種型式,根據(jù)已有工程的成功經(jīng)驗,若不襯砌或采用經(jīng)濟(jì)性好、施工方便的鋼筋混凝土襯砌,并使隧洞圍巖成為一個安全承載結(jié)構(gòu),則隧洞周圍必須要有足夠的巖層覆蓋厚度和足夠的地應(yīng)力量值,以確保隧洞圍巖有安全承受隧洞內(nèi)水壓力的能力,此外,圍巖還不能承受過大的滲漏和滲透破壞情況。經(jīng)歸納總結(jié)為3個常用的不襯砌或混凝土襯砌隧洞圍巖承載設(shè)計準(zhǔn)則,即巖體最小覆蓋厚度、最小主應(yīng)力準(zhǔn)則和圍巖滲透準(zhǔn)則[2-3]。

2.1 巖體最小覆蓋厚度

巖體覆蓋厚度是影響輸水隧洞安全的一個主要因素,輸水系統(tǒng)除上、下水庫進(jìn)/出水口處圍巖覆蓋厚度稍薄外,一般洞段的覆蓋厚度為42～455 m。上水庫正常蓄水位為579 m,下水庫正常蓄水位為210 m,機(jī)組安裝高程為120 m,最大靜內(nèi)水頭為459 m(壓力約4.5 MPa)。

最小覆蓋厚度準(zhǔn)則的原理是根據(jù)經(jīng)驗[4],要求不襯砌輸水隧洞最小上覆巖體重量不小于輸水隧洞的內(nèi)水壓力,再考慮1.3～1.5倍的安全系數(shù),保證圍巖在最大內(nèi)水壓力作用下,不發(fā)生上抬。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(NB/T 10391—2020),有壓隧洞洞身部位巖體最小覆蓋厚度按下式進(jìn)行計算判斷,即

(1)

式(1)中:CRM為巖體最小覆蓋厚度(不包括全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度),m;hs為洞內(nèi)靜水壓力水頭,m;γw為水的重度,取值9.8 kN/m3;γR為巖體的重度,取27.2 kN/m3;F為經(jīng)驗系數(shù),取1.5;α為河谷岸邊邊坡傾角,當(dāng)α大于60°時,取60°。

輸水系統(tǒng)各構(gòu)筑物部位巖體最小覆蓋厚度計算成果詳見表1。

1.5統(tǒng)計學(xué)方法:采用統(tǒng)計學(xué)軟件SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。計數(shù)資料采用(±s)表示,計量資料采用百分比表示,組間比較采用t檢驗,P<0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表1 引水系統(tǒng)各構(gòu)筑物上覆巖體最小覆蓋/厚度計算成果表(沿4#機(jī))

根據(jù)表1計算成果,輸水系統(tǒng)各洞段巖體覆蓋厚度L大于計算的最小覆蓋厚度CRM,表明各洞段均滿足最小覆厚度要求。

2.2 最小主應(yīng)力準(zhǔn)則

最小主應(yīng)力準(zhǔn)則要求不襯砌有壓隧洞沿線任一點的圍巖最小主應(yīng)力應(yīng)大于該點洞內(nèi)靜水壓力,并保持1.2～1.5倍的安全系數(shù),以防止發(fā)生圍巖水力受到劈裂破壞。經(jīng)三維地應(yīng)力反演分析得到最小主應(yīng)力等值線圖(圖1)。工程取安全系數(shù)F1>1.5時,為滿足最小主應(yīng)力準(zhǔn)則;1.2≤F1≤1.5時,為基本滿足;F1<1.2時,為不滿足?；貧w分析成果反映引水上平洞的最小主應(yīng)力σ3為1.5～4.0 MPa,安全系數(shù)為3.33～5.52,滿足最小應(yīng)力準(zhǔn)則要求;引水豎井的最小主應(yīng)力σ3為1.8～5.6 MPa,安全系數(shù)為1.89～1.22。根據(jù)推算,引水豎井高程330 m以上的最小應(yīng)力滿足要求,高程330 m以下的基本滿足要求,但安全余度不足;引水下平洞及岔管的最小主應(yīng)力σ3為5.6～5.8 MPa,安全系數(shù)為1.24～1.30,基本滿足最小應(yīng)力準(zhǔn)則要求,但安全余度不足。引水系統(tǒng)各構(gòu)筑物最小主應(yīng)力及對應(yīng)的最大靜水壓力統(tǒng)計情況見表2。最小主應(yīng)力與最大靜水壓力隨深度分布曲線見圖2。

圖1 輸水發(fā)電系統(tǒng)4#機(jī)剖面最小主應(yīng)力等值線圖

圖2 最小主應(yīng)力與最大靜水壓力關(guān)系曲線

表2 引水系統(tǒng)各構(gòu)筑物最小主應(yīng)力與最大靜水壓力統(tǒng)計表(沿4#機(jī))

根據(jù)最小水平主應(yīng)力與最大靜水壓力進(jìn)行實測及對比分析,可知引水豎井的最小水平主應(yīng)力為2.26～10.57 MPa,安全系數(shù)為1.12～6.24。根據(jù)分析,引水豎井高程263 m以上的最小水平主應(yīng)力滿足要求;高程為263～227 m時的基本滿足要求,但安全余度不足;高程227 m以下部分段安全系數(shù)小于1.20,不滿足要求。最小水平主應(yīng)力與最大靜水壓力隨深度分布曲線見圖3。

圖3 最小水平主應(yīng)力與最大靜水壓力關(guān)系曲線

2.3 滲透準(zhǔn)則

天然巖體內(nèi)存在大量的節(jié)理裂隙,而裂隙中往往有夾泥(膜)或碎屑物填充,當(dāng)輸水隧洞襯砌開裂時,在一定壓力滲透水流的長期作用下,巖體有可能出現(xiàn)滲透變形破壞。因此,滲透準(zhǔn)則可以檢驗巖體滲透性是否滿足滲透穩(wěn)定要求[5],即內(nèi)水外滲量不隨時間的延續(xù)而持續(xù)增加或突然增加,圍巖不發(fā)生水力劈裂和滲透失穩(wěn)。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(NB/T 10391—2020),在設(shè)計內(nèi)水壓力作用下圍巖的透水率或經(jīng)灌漿后的圍巖透水率應(yīng)小于等于1.0 Lu。根據(jù)以往工程經(jīng)驗,Ⅱ類、Ⅲ類圍巖的長期穩(wěn)定滲透水力梯度一般控制在10°～15°。

1) 巖體透水率

對輸水系統(tǒng)引水豎井的YK20鉆孔、廠房長探洞(引水岔管)的CZK1鉆孔進(jìn)行了高壓壓水試驗,孔位位置見圖4和圖5,在地下廠房CPD1—2支洞內(nèi)的CZK2—1孔(水平孔)進(jìn)行了高壓壓水試驗。

圖4 壓水試驗鉆孔孔位剖面布置圖

圖5 壓水試驗鉆孔孔位平面分布圖

YK20鉆孔布置于引水豎井,該鉆孔高壓壓水試驗成果顯示:巖體孔深172.5～177.5 m段受陡傾角節(jié)理較發(fā)育影響,最大透水率為1.04 Lu,巖體呈弱透水,其余測試段巖體透水率q為0.05～0.99 Lu,巖體呈極微透水或微透水。壓力—流量(P—Q)關(guān)系曲線類型以C型(擴(kuò)張)為主,占65%;D型(沖蝕型)占31%;少量A型(層流),占4%。

CZK1鉆孔布置于引水岔管,該鉆孔高壓壓水試驗結(jié)果顯示:巖體孔深29.3～34.3 m和36.0～41.0 m段在7.0 MPa的試驗最高壓力作用下,透水率q為1.04～1.11 Lu,巖體呈弱透水狀態(tài);其余測試段巖體q為0.03～0.88 Lu,呈極微透水或微透水狀態(tài)。P—Q曲線類型以C型(擴(kuò)張)為主,占72%; D型(沖蝕型)占22%;少量A型(層流),占6%。

從YK20、CZK1孔高壓壓水試驗成果來看,除3段巖體透水率為1.04～1.11 Lu,不滿足小于1.0 Lu的要求外,其余均滿足要求。

2) 巖體長期穩(wěn)定滲透水力梯度

CZK2-1高壓壓水試驗結(jié)果表明:隨著試驗壓力持續(xù)時間延長和試驗循環(huán)次數(shù)增多,巖體的水流滲透影響范圍越大、滲徑越遠(yuǎn),當(dāng)裂隙中的鈣質(zhì)、高嶺土被沖蝕帶出后,裂隙的二次重張壓力降低,滲透流量會進(jìn)一步增大。在孔深24.0～29.0 m段,裂隙穩(wěn)定水力破壞梯度約為11。在孔深13.5～18.5 m段,當(dāng)巖體內(nèi)部沒有大的滲透通道或臨空面時,裂隙水飽和之后,滲壓水會原路返回,對裂隙進(jìn)行沖蝕。這說明輸水系統(tǒng)巖體在高壓水頭作用下存在沿長大裂隙、破碎帶(斷層)產(chǎn)生擴(kuò)張破壞的可能,且部分?jǐn)U張破壞永久性不可逆,裂隙面充填物多被沖蝕、移動。

3) 結(jié)構(gòu)面張開壓力

YK20鉆孔對應(yīng)引水豎井的試段P—Q曲線類型主要為C型(擴(kuò)張)、D型(沖蝕),結(jié)構(gòu)面張開壓力一般為1.49～7.0 MPa,張開壓力多數(shù)大于對應(yīng)段的最大靜水壓力0.95～4.44 MPa(圖6),其中對應(yīng)引水豎井高程分別為412～417,377～382,367～372,328～333,286～291,256～261,238～243,177～182,155～160 m段小于最大靜水壓力(約占30%),337～342,323～328,277～282,192～197 m段小于1.2倍最大靜水壓力(約占45%),圍巖不滿足滲透穩(wěn)定要求,在高壓水頭作用下易擴(kuò)張破壞。CZK1對應(yīng)引水岔管的試段主要為C型(擴(kuò)張),少量A型(層流),結(jié)構(gòu)面張開壓力一般為1.4～7.0 MPa,張開壓力大于對應(yīng)段的最大靜水壓力4.44～4.62 MPa(圖6),圍巖滿足滲透穩(wěn)定要求。

圖6 高壓壓水試驗結(jié)構(gòu)面臨界張開壓力與最大靜水壓力隨深度分布曲線

CZK2鉆孔對應(yīng)引水豎井的試段P—Q曲線類型主要為C型(擴(kuò)張)、D型(沖蝕),少量E型(充填)。試驗結(jié)構(gòu)面張開壓力一般為4.2～7.0 MPa。張開壓力多數(shù)大于對應(yīng)段的最大靜水壓力4.02～4.62 MPa,其中對應(yīng)引水下平洞及岔管高程114～119 m段小于最大靜水壓力,圍巖不滿足滲透穩(wěn)定要求。圍巖在高壓水頭作用下易擴(kuò)張破壞,需加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理。CZK2-1水平孔孔深13.5～18.5 m和24.0～29.0 m采用中速法進(jìn)行高壓壓水試驗。試段P—Q曲線類型為D型(沖蝕),結(jié)構(gòu)面張開壓力一般為4.2～5.6 MPa,多次循環(huán)后張開壓力為2.8 MPa,張開壓力小于對應(yīng)段的最大靜水壓力3.53 MPa,圍巖不滿足滲透穩(wěn)定要求。圍巖在持續(xù)高壓水頭作用下容易出現(xiàn)擴(kuò)張破壞現(xiàn)象,須加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理。

引水壓力管道上平洞段靜水壓力為0.45～0.73 MPa。上平洞段巖體為微風(fēng)化或新鮮,塊狀或次塊狀結(jié)構(gòu)。巖體大部分屬完整或較完整,局部完整性差。圍巖以Ⅲ類、Ⅱ類為主,推測在上平洞末端發(fā)育斷層f307,斷層破碎帶、節(jié)理密集帶為Ⅳ—Ⅴ類。該段沿線鉆孔常規(guī)壓水試驗表明微風(fēng)化巖體的透水率均小于1.0 Lu,符合滲透穩(wěn)定要求。

引水豎井靜水壓力為0.95～4.44 MPa,巖體新鮮,呈次塊狀或塊狀結(jié)構(gòu),較完整或完整,圍巖類別以Ⅲ、Ⅱ類為主,推測在豎井上部發(fā)育斷層f303,局部斷層破碎帶Ⅳ類。YK20鉆孔揭露該洞段微新巖石局部陡傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育,節(jié)理附方解石脈多蝕變,沿面附高嶺土等親水礦物,厚一般為0.5～1.0 mm,工程性狀較差,易發(fā)生沖蝕破壞。根據(jù)CZK2-1高壓壓水試驗成果,在一定壓力滲透水流的長期作用下存在滲透穩(wěn)定問題,根據(jù)不符合滲透準(zhǔn)則,須加強(qiáng)高壓固結(jié)灌漿處理。根據(jù)YK20和CZK1鉆孔內(nèi)高壓壓水試驗成果可知,部分張開壓力小于對應(yīng)段的最大靜水壓力(約占30%),部分張開壓力小于1.2倍最大靜水壓力(約占45%),在高壓狀態(tài)下會沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生擴(kuò)張和沖蝕破壞,圍巖大部分不滿足滲透穩(wěn)定要求。水平孔CZK2-1高壓壓水試驗,在滲透水力梯度為11時,產(chǎn)生了滲透破壞現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填的鈣膜等會被帶出。

引水下平洞至岔管段靜水壓力為4.44～4.50 MPa,巖體新鮮,塊狀-次塊狀結(jié)構(gòu),巖體完整-較完整,局部完整性差,圍巖類別以Ⅲ類、Ⅱ類為主,局部斷層帶Ⅳ類。根據(jù)鉆孔CZK1高壓壓水試驗成果(圖6),圍巖在最大試驗壓力下的最大流量為16.8 L/min,透水率q為1.4 Lu,獲得結(jié)構(gòu)面張開壓力為1.4 MPa,小于相應(yīng)隧洞段的靜水壓力,在水壓力作用下會沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生擴(kuò)張和沖蝕破壞,圍巖不滿足滲透穩(wěn)定要求。

根據(jù)工程長探洞揭示,沿斷層帶、巖性界面、長大節(jié)理等多處涌水或線狀出水(淋雨狀),多數(shù)出水點涌水時間不長,少量持續(xù)穩(wěn)定涌水。從揭示地質(zhì)條件及洞內(nèi)鉆孔施工時地下水連通關(guān)系分析,說明斷層帶、張開裂隙等透水性較強(qiáng),連通性及導(dǎo)水性好。根據(jù)高壓試驗成果推測裂隙在高壓狀態(tài)下易產(chǎn)生擴(kuò)張沖蝕性破壞,存在內(nèi)水外滲及沿斷層帶的滲透變形問題。

綜上所述,引水上平洞沿線鉆孔常規(guī)壓水試驗表明微風(fēng)化巖體的透水率均小于1.0 Lu,滿足滲透穩(wěn)定的要求。從高壓壓水試驗結(jié)果來看,引水豎井高程420 m以下洞段結(jié)構(gòu)面張開壓力多數(shù)孔段小于對應(yīng)段的靜水壓力,在水壓力作用下會沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生擴(kuò)張和沖蝕破壞,圍巖大部不滿足滲透穩(wěn)定要求,須加強(qiáng)高壓固結(jié)灌漿處理。引水下平洞至岔管段結(jié)構(gòu)面張開壓力小于對應(yīng)段的靜水壓力,圍巖不滿足滲透穩(wěn)定要求,須加強(qiáng)圍巖的高壓固結(jié)灌漿處理[6]。

3 結(jié) 論

最小覆蓋厚度表明,引水隧洞沿線上覆巖體總體厚實,輸水系統(tǒng)各構(gòu)筑物部位均滿足上覆巖體最小覆蓋層厚度的要求。最小主應(yīng)力準(zhǔn)則表明,引水壓力管道上平洞滿足最小應(yīng)力準(zhǔn)則要求,引水豎井高程330 m以上的洞段滿足最小應(yīng)力準(zhǔn)則要求,高程330 m以下的洞段的引水下平洞及岔管洞段基本滿足最小應(yīng)力準(zhǔn)則要求,安全余度不大。滲透準(zhǔn)則表明,壓力管道上平洞沿線、引水豎井高程420 m以上洞段,巖體透水率均小于1.0 Lu,滿足滲透穩(wěn)定要求,引水豎井高程420 m以下洞段的引水下平洞至岔管除局部段外,巖體透水率均小于1.0 Lu,但最大試驗壓力時的滲透流量較大,且結(jié)構(gòu)面臨界張開壓力、關(guān)泵閉合壓力較小,沿線節(jié)理較發(fā)育,陡傾角為主,沿面附0.5～1.0 mm方解石脈,部分蝕變,工程性狀較差,易發(fā)生沖蝕破壞。根據(jù)平洞揭示,沿部分?jǐn)鄬印⒐?jié)理滲水或涌水。根據(jù)CZK2-1高壓壓水試驗成果推測在高壓狀態(tài)下存在內(nèi)水外滲及沿斷層帶的滲透變形問題,在一定壓力滲透水流的長期作用下存在滲透穩(wěn)定問題,不符合滲透準(zhǔn)則。從工程地質(zhì)專業(yè)的角度分析,并吸取其他工程的經(jīng)驗,建議從引水豎井高程420 m以下洞段及引水岔、支管部分采用鋼板襯砌更為合理、安全、可靠,其余洞段采用鋼筋混凝土襯砌[7-8]。輸水發(fā)電系統(tǒng)主要洞段均位于地下水位以下,壓力管道沿線除引水上平洞外水壓力較小,其余洞段外水壓力均較大,隧洞采用鋼板襯砌后,采取合適的抗外壓穩(wěn)定措施,并做好鋼襯的外排水措施。