上水庫裂隙特征及其對水庫安全性的影響研究

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

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；上水庫；裂隙特征；滲流；防滲

中圖分類號：TV 64" " 文獻標志碼：A

我國的水電能資源儲備位居世界第一位，其最大理論儲藏量接近7億kW。水電能源利用水力勢能完成發(fā)電，屬于可再生資源且對環(huán)境無污染[1]。然而，我國總體水電能源開發(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，上水庫是抽水蓄能電站的重要組成部分，執(zhí)行儲水蓄能任務(wù)。為了降低水利、水電工程的建設(shè)成本，上水庫通常根據(jù)地形進行選址，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)。對于不能滿足阻攔水位需求的點位，進行人工壩體澆注?；谔烊粠r體完成壩體建設(shè)確實具有較大的經(jīng)濟性優(yōu)勢，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。錯綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)會形成滲流。長期滲流會降低壩體強度，嚴重時會出現(xiàn)突水、涌泥，甚至塌方等重大災(zāi)害，危及上水庫安全。本文分析了上水庫裂隙特征，進而建立滲透機理模型，提出了注漿修復(fù)等策略，并通過試驗加以驗證。

1 上水庫裂隙特征分析

上水庫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無損整體，但是在長期的沉積、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、角度和長度各不相同。眾多裂隙組合在一起就會形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)不僅可以存儲水分，還會形成滲流。滲流對大壩整體具有破壞性，容易導(dǎo)致大壩出現(xiàn)嚴重的安全問題。

因此，分析上水庫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、裂隙角度和裂隙長度等參數(shù)對應(yīng)的滲流張量。本文對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，巖石裂隙角度會隨時間的持續(xù)不斷加大，從而導(dǎo)致嚴重的滲流。

2 上水庫裂隙特征導(dǎo)致滲流的機理

對抽水蓄能電站的上水庫來說，基于巖體的大壩安全問題需要重點關(guān)注，而巖體裂隙導(dǎo)致的滲流則是最大的危險因素。為了準確量化分析這種滲流的影響，需要建立滲流機制的數(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。滲流速度的計算過程如公式（1）所示。

（1）

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

還可以采用公式（2）計算滲流過程中的滲流速度。

（2）

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

進一步可以推導(dǎo)滲流速度各個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壩體裂隙導(dǎo)致滲流時的巖體條件的x向坐標；y為抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙導(dǎo)致滲流時的巖體條件的y向坐標；z為抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙導(dǎo)致滲流時的巖體條件的z向坐標；wx為抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙導(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壩體裂隙的巖體作用邊界；h為抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙導(dǎo)致滲流時的水頭損失。

進一步推導(dǎo)抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙導(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為巖體對抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙滲流過程的影響系數(shù)的x向分量；Ky為巖體對抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙滲流過程的影響系數(shù)的y向分量；Kz為巖體對抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙滲流過程的影響系數(shù)的z向分量。

進一步推導(dǎo)抽水蓄能電站上水庫壩體裂隙導(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 上水庫大壩防滲處理和測試

上文對抽水蓄能電站上水庫巖石壩體的裂隙問題進行了研究，分析了其典型特征，繪制了裂隙角度隨時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個方面。第一，當巖石壩體原本就存在孔洞、裂縫時，滲流會在這些孔洞、裂縫中持續(xù)流動，形成連通沖刷，從而使巖石壩體的裂隙率進一步擴大，增加風(fēng)險概率。第二，當巖石壩體原本不存在孔洞、裂縫時，在持續(xù)的浸泡沖刷腐蝕作用下，將巖石壩體相對薄弱的點位被沖開，從而產(chǎn)生新的孔洞或裂縫，給原本安全的巖石壩體帶來新的風(fēng)險。這2種作用會隨著季節(jié)變化、降雨量多寡、河水水位高低而發(fā)生變化，作用強度也會有所不同。因此，在試驗過程中，需要區(qū)分不同季節(jié)情況下滲流作用的影響。本文試驗將上水庫分為蓄水期和洪水期，以對應(yīng)正常水位和較高水位的不同情況。進而考察蓄水期間上水庫巖石大壩可能出現(xiàn)滲漏問題的安全狀況。在上水庫蓄水期，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)。

進一步觀察上水庫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題的影響，尤其是為了抑制滲流現(xiàn)象，需要對上水庫巖體大壩進行注漿處理。注入液態(tài)漿體可以填塞裂隙空間，使巖體更密實，有效遏制滲流，避免滲流對壩體強度的影響。

在試驗過程中，取上水庫上壩體的局部天然巖體作為研究對象。樣本巖體與上水庫整體的巖石構(gòu)成情況一致，均存在一定程度的裂隙，這些裂隙會造成滲流。本文采用內(nèi)部測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。

接下來需要對樣本巖體進行注漿處理，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后進行標準養(yǎng)護，28d后取出待用。每種樣品重復(fù)試驗3次，取其平均值作為試驗結(jié)果。經(jīng)過注漿處理后，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。

綜合上述試驗結(jié)果可以看出，對抽水蓄能電站的上水庫大壩來說，基于天然巖體雖然能加快施工進度，節(jié)省成本，具有較高的經(jīng)濟效益，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對巖體造成較大破壞，具有一系列安全風(fēng)險。準確分析巖體中的裂隙特征，并利用注漿技術(shù)進行填充處理，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的安全隱患，對提升巖體安全性、大壩安全性乃至整個上水庫和抽水蓄能電站的安全性都具有重要意義。

4 結(jié)論

上水庫是抽水蓄能電站的重要組成部分，執(zhí)行儲水蓄能任務(wù)。上水庫大壩基于天然巖體完成壩體建設(shè)，具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢，但是山石巖體含有諸多孔洞和裂隙。錯綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)會形成滲流，嚴重時會導(dǎo)致突水、涌泥和塌方等災(zāi)害。為了提升上水庫大壩的強度，本文針對巖體裂隙導(dǎo)致的滲流問題進行了模型化分析，在試驗過程中給出了滲流方向的計算仿真結(jié)果。并進一步采取注漿手段填塞巖體裂隙，有效提升了上水庫大壩的強度，防止發(fā)生滲流。

參考文獻

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