張 亮，吳吉春，施小清，朱祥東

(1．南京大學地球科學與工程學院水科學系，江蘇南京 210093;2．中國三峽集團公司白鶴灘水電站籌備組，四川寧南 615400)

中國西南部已建與在建水電站多采用地下隧洞作為導流設施，導流洞施工過程中常遇突發(fā)涌水，威脅工程安全并影響施工進度。如構皮灘水電站施工過程中，水庫在導流洞下閘后蓄水至490m時，1號導流洞突現(xiàn)涌水，目測水柱直徑3m，洞內水深8m。與白鶴灘工程地質條件相似的溪洛渡水電站2004年在導流洞主洞施工中出現(xiàn)施工面滲水。滲水問題雖然通過防滲帷幕措施得以解決，但處理費用高昂，而且極大影響了正常施工進度。

白鶴灘水電站地下工程主要包括導流工程、引水發(fā)電系統(tǒng)工程和泄洪洞系統(tǒng)工程。根據(jù)白鶴灘水文地質條件分析，在地下洞室施工過程中將不可避免地碰到涌水狀況。導流隧洞和尾水隧洞的洞底高程基本與河底高程一致，洞底高程低于常水位20～25m，低于10年一遇河水位45m以上。導流隧洞和尾水隧洞的進出口段距河道較近，圍巖位于風化帶、卸荷帶，透水性相對較強;受層內層間錯動帶發(fā)育的影響，在一定橫向深度范圍內易形成相對富水的條帶，可能成為江水涌入地下洞室的通道。

地下工程滲流問題作為工程重要風險，需要從施工和管理角度提供方案建議。地下工程施工過程中的涌水量指單位時間內流入施工區(qū)域的水量，是處理地下工程施工中涌水問題首要考量的因素。提前預測地下洞室工程施工中的圍巖涌水情況，可以為防治措施及排水方案的設計提供依據(jù)，實現(xiàn)地下洞室安全、順利、快速、經濟的施工。

1 研究區(qū)域概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游，壩址左岸屬四川省寧南縣跑馬鄉(xiāng)，右岸屬云南省巧家縣大寨鎮(zhèn)，距離下游溪洛渡水電站約195km，控制流域面積43．03×104m2，壩址區(qū)多年平均流量4 190m3/s。白鶴灘水電站混凝土雙曲拱壩壩高289m，水庫正常蓄水位825m，正常蓄水位以下庫容190．06×108m3。電站裝機容量初擬14 004MW。

壩址區(qū)屬中山峽谷地貌，地勢北高南低，向東側傾斜。左岸為大涼山山脈東南坡，整體呈向金沙江傾斜的斜坡地形;右岸為藥山山脈西坡，主要為陡坡與緩坡相間地形。右岸高程1 000～1 400m以下為陡崖區(qū)，以上呈臺地緩坡[1]。谷坡左岸相對較緩，右岸陡峻，河谷呈不對稱的V字形。

白鶴灘水電站設計建造5條導流隧洞，除右岸布置的4號與5號導流洞外，左岸同時布置3條。本文的研究區(qū)劃定壩址區(qū)右岸上下游2．5km，橫向深度500m范圍區(qū)域，完整囊括4號與5號導流洞(圖1)。

1.1 水文地質概況

圖1 研究區(qū)地形圖及導流洞平面位置(F15－19分別表示右岸5條斷層走向)Fig.1 Terrain map of the study area and the position of tunnels(the five faults are illustrated in number F15－19)

壩址主要出露二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，上覆三疊系下統(tǒng)飛仙關組砂頁巖。二疊系上統(tǒng)峨眉山組P2β3中部 P2β23，P2β33部分區(qū)域柱狀節(jié)理發(fā)育[2～3]。地層呈假整合接觸，第四系松散堆積物主要分布于河床及緩坡臺地上。

壩址區(qū)自大寨溝溝口起，至神樹溝溝口止，河段長1．7km。金沙江由南向北流入壩址，枯水期水面寬51～110m，上游水位約591m，下游水位約589m，水深9～18m不等。河床中的孔隙水主要接收江水和河床兩側地下水的補給，排向金沙江。

右岸1 100m以上分布飛仙關組粉砂巖、泥巖、砂巖，為區(qū)域阻水結構。右岸地表水以及降水主要通過地表徑流匯入大寨溝然后排向金沙江，而滲入補給下伏玄武巖體的水量有限，加之水平方向滲透性比垂直方向要強，因此右岸地下水位埋深相對較大。

1.2 地層與斷層

結合鉆孔柱狀圖和已有的勘探線剖面圖對地層資料進行整理，根據(jù)鉆孔資料中的巖性描述和對地層的概化，確定各地層的空間結構數(shù)據(jù)，并對地層進行巖性編號[4～7]，按照巖層透水性的不同將計算區(qū)分為9個滲透分區(qū)，詳見表1。

右岸主要分布有五條斷層，分別為 F15、F16、F17、F18和F19斷層，其平面位置分布見圖1。F15、F16與F18屬于NW300°組斷層，F(xiàn)19屬于NW320°組斷層。而F17屬于最晚形成的NE40°組斷層，并且是該組最大的斷層，長約1 600m，破碎帶寬0．6～3．0m。研究區(qū)內，F(xiàn)17斷層錯段 F18、F19斷層，同時在遠端錯斷 F16斷層[8]。由于缺乏斷層垂向傾角信息，本文算例皆假設斷層垂直切割厚層玄武巖層。分布于巖體中的斷層活動不強烈，對大壩的整體穩(wěn)定性影響不大[8]。斷層等結構面交叉連通或貫穿，在地下水滲流中可能會起著滲漏通道的作用。

表1 巖層分區(qū)及各分區(qū)滲透系數(shù)Table1 Hydraulic conductivity values assigned to partitions of rock flows

1.3 導流洞布置

研究區(qū)內的4號與5號導流洞平行布置，相互間距50m。兩條導流洞分別包含入口段，中間段與出口段，中間段均近似平行于金沙江。4號導流洞臨江較近，其中間段距離岸邊231～310m。4號導流洞進口段長約313m，中段長約1 033m，出口段長約354m，長度總計為1 700m。5號導流洞進口段長約409m，中段約長1 112m，出口段約長451m，長度總計為1 972m。導流洞平面位置見圖1。

2 數(shù)值模擬過程

本例采用數(shù)值模擬軟件TOUGH2進行計算。軟件按模塊化程序設計，各子模塊分別用于解決不同組分地下水運移問題。其中子模塊EOS9可用于計算飽和非飽和地下水流模型。本文采用可視化軟件Petrasim作為TOUGH2的前處理工具。

2.1 空間離散

網格剖分大小主要考慮以下幾個因素:導流洞尺寸與開挖速度，斷層寬度與走向，以及計算資源占用等。本文采用規(guī)則矩形網格進行剖分，x、y與z軸分別長17．5，10，22．5m。網格總數(shù)共計40 ×40 ×180=288 000(圖2b)。網格巖性分區(qū)與賦值可以利用Petrasim提供的內部邊界工具進行設置。導入地層高程數(shù)據(jù)后，剩余的活動網格總數(shù)為153 216(圖2a)。其中，4號與5號導流洞分別由184個與210個網格表示。

圖2 利用Petrasim軟件進行網格剖分Fig.2 Spatial discretization in Petrasim

2.2 網格命名

TOUGH2對輸入文件的格式要求非常嚴格，網格由占5個字符的命名區(qū)分。由Petrasim導出的TOUGH2輸入文件中，網格按10進制數(shù)字命名，即從數(shù)字00001依次向下編號。大于99999的網格，TOUGH2將無法正確讀取。

本文編寫了一個簡單的命名轉換工具，將10進制數(shù)字命名更換為24進制。如原記為100000的網格更名為075EG，此時命名只占5個字符。由Petrasim生成的153216個網格均轉換為24進制命名后，輸入文件格式完全符合TOUGH2要求，可以正常讀取計算。采用這種方法，可避免對TOUGH2源程序的修改，同時有效拓展了可視化軟件Petrasim的應用能力。

2.3 初始條件與邊界條件

研究區(qū)西側金沙江為第一類邊界條件，根據(jù)上下游水位按照水力坡度插值;南部和北部邊界為隔水邊界;東側右岸山體內部邊界距河床中軸線約500m，其水位由各勘探剖面水位內插得到。底部作為隔水邊界，頂部為降雨入滲邊界。在加入導流洞之前，計算初始流場，結果用作下一步計算的初始條件。

導流洞作內邊界條件設置，在計算過程中保持恒壓。TOUGH2提供了兩種方式設置恒定壓強。第一種方式為:給定網格一個極大體積，通常使用1．0×1050m3。被賦值極大體積的網格，仍然參與程序計算。在計算時，周圍網格對其造成的影響均被極大體積抵消，相當于該網格上的變量均保持不變。

另一種方式為:設置網格狀態(tài)為非活動網格。非活動網格通常被單獨列于網格列表文件的末尾，由一零行間隔。通過這種方式設置的恒定網格，其變量始終保持不變。應用中推薦使用第二種方法，因為此時恒定網格不參與計算，可以節(jié)省一定的計算時間和資源。

2.4 混凝土襯砌

導流洞施工過程中，為縮短工期，通常適時進行混凝土澆筑與開挖的平行作業(yè)。導流洞斷面混凝土襯砌，配合工程初期的錨噴支護，可增強圍巖穩(wěn)定性，降低洞壁滲水能力[9]。

TOUGH2中相鄰網格的關系由連接唯一確定。每一個連接中包含以下信息，相鄰網格中心到交界面的距離，交界面的面積，網格中心連線與重力加速度矢量方向的夾角等。TOUGH2初始化階段將讀取所有網格連接，然后計算通過這些交界面的流量通量。當程序沒有讀取到某一連接，便不計算通過該界面的流量。假設混凝土襯砌完成后，導流洞與圍巖間沒有任何流量通量。于是，可以將這些連接內容從輸入文件中刪除，實現(xiàn)混凝土襯砌的模擬效果。

2.5 模擬流程控制

導流洞施工過程模擬由一系列施工步驟組成，每個施工步驟內向前開挖一定距離。各步開始計算之前，根據(jù)情況最多需要完成4組設定。首先，將上一步的計算結果轉換為該步計算的初始條件;其次，導流洞向前開挖一定長度，即將該部分網格設置為內邊界條件;然后根據(jù)需要，落后開挖段一定間距的導流洞網格，進行混凝土襯砌作業(yè)，即將該部分網格與圍巖網格的連接從輸入文件中刪除;最后，設置輸出選項。模擬流程示意詳見圖3。

圖3 施工過程模擬控制流程Fig.3 Flowchart of the automated excavation simulation system

模擬過程中相鄰施工步之間的設定由程序TUNL完成，該程序由筆者使用Fortran語言編寫。前3組設定均針對輸入文件進行操作，如初始條件轉換的工作需要更新保存初始條件的INCON文件，內邊界條件設置與網格連接刪除的操作需要修改MESH文件。4組設定的具體信息保存在單獨的施工文件中，每一個施工步驟內都需要準備一份施工文件。這一系列文件可以完整描述導流洞的施工過程。通過一系列連續(xù)的施工控制文件，可以方便地修改施工方案;同時，多條導流洞同時施工亦不影響。整個模擬計算過程可以通過batch文件自動控制。涌水量計算結果輸出保存至單獨的文件中。

3 導流洞涌水模擬

3.1 由入口開挖施工方案

本例主要用于檢驗模擬施工流程的可行性，兩條導流洞施工方案相同并同時進行。具體方案為:由導流洞入口開始挖掘，每步向前開挖40m。同時落后開挖段40m，已建導流洞洞壁進行混凝土襯砌。4號導流洞按40m長度共分為44段，為完成最后兩段的混凝土襯砌，共需要計算46個施工步。同理，5號導流洞相同條件下共需計算52個施工步。兩條導流洞同時施工，整個工程完工時間以5號導流洞為準。

每個施工步的模擬時間為半個月，即施工速度為每月開挖80m，工程建設總共耗時780d。假設整個施工過程未遇突發(fā)狀況，始終按照該速度進行。以導流洞入口為起點，記導流洞不同位置距入口距離為x，繪制導流洞路徑不同位置處涌水量(圖4)。

圖4 施工過程中導流洞各側洞壁涌水量及總涌水量沿導流洞路徑變化趨勢Fig.4 Water inflow rate from different sides of wall along the entire tunnel alignment

由圖4可知，涌水集中發(fā)生于4號導流洞300～800m段與5號導流洞500～1 000m段。該段途經滲透性較好的分區(qū) V，即揭露地層 P2β53，P2β43及 P2β13。此外，突發(fā)大量涌水發(fā)生于斷層位置，尤其在斷層F17處，兩條導流洞均出現(xiàn)涌水量最大值。4號導流洞涌水量最大達到 119．6m3/d，5號導流洞最大值為93．8m3/d。

導流洞施工作業(yè)面上涌水主要來自左右兩側洞壁，上下兩側洞壁僅在斷層位置對導流洞涌水有一定貢獻。斷層走向均與導流洞路徑斜交，左右兩側洞壁穿過斷層并發(fā)生突發(fā)大量涌水的時間一前一后。由于本例設計兩條導流洞按相同方案同時由入口開挖，進入中部與河流平行段后，4號導流洞施工面略領先于5號導流洞(圖(5)b，c)。5號導流洞左側洞壁緊鄰4號導流洞已建部分，由于流場發(fā)生改變，來自該側的涌水貢獻也相應受一定影響。

圖5 導流洞所在橫切面在施工過程各時刻壓強分布Fig.5 Pressure distribution at different time steps

3.2 未考慮施工方案

為比較應用施工方案后對涌水模擬的影響，本文計算了未考慮施工過程的涌水結果。此時，假設兩條導流洞均已建成，作為內邊界條件加入模型。為計算涌水，整個導流洞沒有進行混凝土襯砌處理。模擬時間設為半個月，計算結果與前例比較，見圖6。

圖6 已考慮與未考慮開挖過程時的總涌水量沿導流洞路徑變化趨勢Fig.6 Water inflow rate calculated with or without considering the excavation process

由圖6可知，未考慮施工方案時的模擬結果明顯低估了導流洞的涌水量。4號與5號導流洞的涌水量，除斷層 F17位置外，均低于20m3/d。需要說明的是，此時也為兩條導流洞同時修建，可能在一定程度上對彼此的涌水量產生影響。

4 結論

(1)基于白鶴灘水電站右岸滲流場數(shù)值模型，設計實現(xiàn)了考慮施工過程的導流洞涌水模擬。計算結果顯示，在導流洞軸線兩側形成水位降落，使天然滲流場改變，并形成集水廊道。根據(jù)數(shù)值模型計算結果，涌水集中發(fā)生在滲透性良好的分區(qū)V。此外，斷層附近是涌水量突增的主要發(fā)生地點。由于地層P2β4與P2β3的滲透性對導流洞的涌水量影響顯著，導流洞開挖揭露該巖層段時需要做好防滲與排水準備。研究區(qū)內5條導水斷層的滲透系數(shù)較大，易形成局部涌水噴涌，超出正常排水設施能力。斷層部位的突然涌水，對導流洞總涌水量的貢獻很大，所以斷層帶滲透系數(shù)值的確定對導流洞總涌水量的預測至關重要。

(2)基于TOUGH2建立動態(tài)模擬系統(tǒng)，可以靈活控制導流洞工程施工過程并模擬預測該過程中的涌水量大小。模擬系統(tǒng)由一系列連續(xù)的施工步組成，每一步完成諸如導流洞開挖，混凝土襯砌，初始條件轉換等任務。任務保存于一系列施工文件中，通過相應修改，可以實現(xiàn)多種復雜施工方案。本文以入口開挖出口結束的方案為例，假設兩條導流洞按照相同不變的開挖方案同時進行，計算結果顯示出這一方法的可行性。通過比較，未考慮施工方案時的模擬結果將嚴重低估導流洞的涌水量大小。由于白鶴灘右岸設計建造兩條導流洞，具體施工過程情況復雜，對兩條導流洞之間可能存在的影響，需要進一步的研究。

(3)導流洞開挖位置位于正常河水位以下，在地下水流量及水力梯度增大時易形成涌水、突水現(xiàn)象，嚴重時會導致隧道塌方等事故，延緩施工進度。對導流洞開挖過程中的涌水量進行數(shù)值模擬，及對可能發(fā)生涌突水點的斷面進行涌水量大小預測，可以為導流洞安全施工及防滲排水設施計劃提供科學指導。

[1] 榮冠，王思敬，王恩志．白鶴灘河谷演化模擬及玄武巖級別評估[J]．巖土力學，2009，30(10):3013-3019．[RONG G，WANG S J，WANG E Z．Study of evolutional simulation of Baihetan river valley and evaluation of engineering quality of jointed basalt P2β3[J]．Rock and Soil Mechanics，2009，30(10):3013-3019．(in Chinese)]

[2] 鄭文棠，徐衛(wèi)亞，郭愛青．柱狀節(jié)理開挖模擬洞數(shù)值原位試驗[J]．巖土力學，2007，28:253-257．[ZHENG W T，XU W Y，GUO A Q．Numerical in situ testing ofexcavation experimentalcavityon columnal joints[J]．Rock and Soil Mechanics，2007，28:253-257．(in Chinese)]

[3] 徐衛(wèi)亞，鄭文棠，石安池．水利工程中的柱狀節(jié)理巖體分類及質量評價[J]．水利學報，2011，42(3):262-270．[XU W Y，ZHENG W T，SHI A C．Classification and quality assessmentofirregular columnar jointed basaltic rock mass for hydraulic engineering[J]．Journal of Hydraulic Engineering，2011，42(3):262-270．(in Chinese)]

[4] Basarir H，Ozsan A，Karakus M．Analysis of Support Requirements foraShallow Diversion Tunnelat Guledar Dam Site，Turkey[J]．Engineering Geology，2005，81(2):131-145．

[5] 魏云杰．中國西南水電工程區(qū)峨眉山玄武巖巖體結構特性及其工程應用研究[D]．成都:成都理工大學，2007．[WEI Y J．Study on Characteristics of Rock Mass Structure and Engineering Application of Emeishan Basalts in Project Site of Hydroelectric Power Station in Southwestern China[M]．Chengdu:Chengdu University of Technology， 2007．(in Chinese)]

[6] 魏玉峰．白鶴灘水電站多層位復雜介質壩基巖體結構特征及巖體質量分級研究[D]．成都:成都理工大學，2010．[WEI Y F．Research on Feature of Structure and Quality Classification of Multi-stratum and Complex-medium Dam Foundation Rock Mass of Baihetan Hydropower Station[M]．Chengdu:Chengdu University of Technology，2010．(in Chinese)]

[7] 許向寧，黃潤秋．金沙江下游宜賓-白鶴灘段岸坡穩(wěn)定性評價與預測[J]．水文地質工程地質，2006，33(1):31-36．[XU X N，HUANG R Q．Evaluation and forecast of bank slopes stability from Yibin to Baihetan of the reaches of the Jinshajiang River[J]．Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2006，33(1):31-36．(in Chinese)]

[8] 金軍，楊坤光．金沙江白鶴灘水電站壩址區(qū)斷層變形特點及成因分析[J]．地質科技情報，2007，26(5):17-22．[JIN J，YANG K G．Deformation Characteristics and Genesis of Faults in the Dam of Baihetan Hydroelectric Power Station，Jinsha River[J]．Geological Science and Technology Information，2007，26(5):17-22．(in Chinese)]

[9] 陳浩，顧偉，盧軍民．天花板水電站導流隧洞設計[J]．水力發(fā)電，2011，37(6):67-70．[CHEN H，GU W，LU J M．Diversion Tunnel Design for Tianhuaban Hydropower Station[J]．Water Power，2011，37(6):67-70．(in Chinese)]