張 巍，陳云長，黃立財，劉林軍

(1.中山大學(xué)工學(xué)院，廣州廣東510275；2.中山大學(xué)巖土工程與信息技術(shù)研究中心，廣州廣東510275；3.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣州廣東510635)

基于UDEC的高壓隧洞內(nèi)水外滲離散元分析

張 巍1，2，陳云長3，黃立財3，劉林軍3

(1.中山大學(xué)工學(xué)院，廣州廣東510275；2.中山大學(xué)巖土工程與信息技術(shù)研究中心，廣州廣東510275；3.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣州廣東510635)

基于UDEC的離散元法，選取典型地質(zhì)剖面，對陽江抽水蓄能電站高壓水道進(jìn)行內(nèi)水外滲裂隙滲流研究。結(jié)果表明，高壓隧洞的固結(jié)灌漿能有效降低圍巖的裂隙水壓力及其水力梯度，且隧洞上部巖體的水力梯度降低比下部巖體明顯。與有限元計算成果相比，計算結(jié)果總體規(guī)律相似，離散元法滲流水頭等值線相對凌亂，但其考慮的地質(zhì)模型更符合實(shí)際，可與有限元法互為補(bǔ)充。

高壓隧洞；內(nèi)水外滲；滲流；離散元；UDEC；陽江抽水蓄能電站

0 引 言

隨著大型水電站尤其是抽水蓄能電站的建設(shè)，出現(xiàn)了越來越多的高水頭水工隧洞。在高水頭作用下，混凝土襯砌難免開裂成為透水介質(zhì)，發(fā)生內(nèi)水外滲，圍巖成為承載主體[1- 4]。高壓隧洞設(shè)計應(yīng)遵循3大基本準(zhǔn)則：最小覆蓋厚度準(zhǔn)則、最小地應(yīng)力準(zhǔn)則和滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則。工程實(shí)踐表明，在滿足前2大準(zhǔn)則的前提下，高壓隧洞的整體穩(wěn)定是有保障的，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注滲漏和滲透穩(wěn)定問題[5- 10]。

Cundall于 1971年提出并發(fā)展完善的離散元軟件UDEC，假定流體只在節(jié)理內(nèi)流動(巖塊不透水)，以此來模擬流體沿節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展與遷移行為，并借助節(jié)理水力開度描述裂隙水壓力與介質(zhì)骨架相互作用，實(shí)現(xiàn)裂隙巖體的滲流應(yīng)力全耦合分析。陶連金等[11]較早進(jìn)行了某水電站地下廠房規(guī)則裂隙巖體流固耦合的離散元數(shù)值模擬。Cappa等[12]、王洪濤等[13]進(jìn)行了實(shí)際巖質(zhì)邊坡的滲流應(yīng)力耦合離散元模擬。耿萍等[14]進(jìn)行了隧洞開挖的數(shù)值模擬。本文采用基于UDEC的離散元法，選取陽江抽水蓄能電站典型地質(zhì)剖面，對高壓水道進(jìn)行內(nèi)水外滲裂隙滲流研究。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區(qū)，地理位置處于廣州—湛江粵西片的中部，距廣州市230 km。電站裝機(jī)2 400 MW，分兩期建設(shè)。一期裝機(jī)1 200 MW，采用1管3機(jī)供水，引水隧洞主管管徑7.4 m，支管管徑3.0 m。高壓引水岔管及引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，引水支管采用鋼襯砌。高壓混凝土隧洞靜水壓力799 m，水頭超過了國內(nèi)所有混凝土隧洞。

1.2 典型地質(zhì)剖面

通過對高壓隧洞及所在地區(qū)地質(zhì)條件的分析，選取沿2號支管所在縱剖面進(jìn)行裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流分析。裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流分析中所考慮的區(qū)域主要斷層和節(jié)理裂隙的特征分述如下。

1.2.1 斷層

依據(jù)高壓隧洞工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的勘探資料，高壓隧洞區(qū)斷層分布按其走向劃分主要有4組斷層構(gòu)造：北東～北北東向組(NE～NNE)、北西～北北西向組(NW～NNW)、近東西向組(EW)、近南北向組(SN)。計算剖面主要斷層見圖1。斷層特征見表1。

圖1 沿2號支管縱剖面主要斷層

1.2.2 節(jié)理裂隙

根據(jù)地質(zhì)報告和相關(guān)探硐資料，高壓隧洞處巖體主要包括5組優(yōu)勢裂隙：

(1)近SN向組(走向SN、N5°～15°E、N5°～15°W，傾向E～W，傾角70°～80°)為陡傾角節(jié)理裂隙，裂隙頻率為0.5～1.5條/m，延伸較短，多閉合，無填充，少數(shù)微張，裂面粗糙。

表1 裂隙滲流計算考慮的斷層特征

(2)NWW組(走向N70°～80°E，傾向NW、SE，傾角70°～85°)為陡傾角節(jié)理裂隙，個別緩傾角，裂隙頻率為0.1～0.8條/m，延伸稍長，多閉合，無填充，少數(shù)微張，裂面粗糙。

(3)NW組(走向N20°～30°W，傾向SW、NE，傾角30°～60°)為緩傾角節(jié)理裂隙，裂隙頻率為0.5～1.5條/m，延伸較長，多閉合，無填充。

(4)NE組(走向N65°～75°E，傾向NW、SE，傾角25°～80°)多為緩傾角節(jié)理裂隙，裂隙頻率為0.2～0.6條/m，延伸較長，多閉合，無填充。

(5)近EW向組(走向近EW，傾向S～N，傾角70°～85°)為陡傾角節(jié)理裂隙，裂隙頻率小于0.1條/m，延伸較短，多閉合，無填充，裂面粗糙。

2 裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流離散元分析

2.1 計算模型

計算區(qū)域以鋼襯隧洞末端中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿水平方向且指向下游為x軸正方向，垂直于岔管軸線方向?yàn)閥軸正向。模型計算范圍為：x向從下游鋼支管廠房邊墻向上游取455 m；y向從高程-125～150 m共取275 m。模型包含主要斷層及5組優(yōu)勢節(jié)理裂隙。滲流計算模型見圖2。模型采用三角形單元進(jìn)行剖分，塊體數(shù)5 416個，可變形三角形單元13 243個，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)23 840個，接觸數(shù)24 280個。

圖2 計算剖面離散元網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 邊界條件

模型四周為位移約束邊界；模型上、下游為已知水頭邊界按隨高程線性變化設(shè)置，水頭呈梯形分布。模型底部為不透水邊界，上部為自由邊界；高壓引水道鋼筋混凝土襯砌段為定水頭邊界，水頭根據(jù)不同的工況設(shè)定，鋼襯段為不透水邊界。

2.3 計算參數(shù)

計算中所需的力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報告和相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)選取。本次裂隙滲流計算巖塊力學(xué)參數(shù)及流體參數(shù)見表2。結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 巖塊力學(xué)參數(shù)及流體參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

2.4 計算工況

考慮高壓隧洞固結(jié)灌漿情況選取4個工況，進(jìn)行高壓隧洞圍巖裂隙滲透規(guī)律的計算分析(見表4)。主要考慮高壓隧洞固結(jié)灌漿前后洞壁水頭降低對裂隙滲流的影響。后3種計算工況的洞壁水頭根據(jù)三維有限元滲流計算確定。

表4 計算工況

2.5 計算結(jié)果分析

高壓隧洞充水運(yùn)行情況下，各工況計算結(jié)果規(guī)律相近，區(qū)別主要在量值和局部區(qū)域。以工況①為例進(jìn)行分析，計算剖面裂隙水壓力見圖3。裂隙滲流壓力水頭等值線見圖4。從圖3可以看出，裂隙水壓力總體上沿著裂隙向隧洞外逐漸減小，這是符合工程實(shí)際的。從圖4可以看出，裂隙網(wǎng)絡(luò)的壓力水頭等值線從高壓隧洞邊緣向外凸并偏向下游端，表明高壓隧洞在充水運(yùn)行情況下發(fā)生內(nèi)水外滲，滲向隧洞外的下游。高壓隧洞混凝土襯砌管與鋼襯支管結(jié)合處壓力水頭等值線分布密集，水力梯度達(dá)到了45左右，而且高水力梯度分布范圍大。

圖3 計算剖面水壓力分布(單位：m)

圖4 計算剖面壓力水頭等值線(單位：m)

4種工況下的壓力水頭等值線表明，高壓隧洞的固結(jié)灌漿處理在降低圍巖總體水壓力的同時，也顯著降低了高壓隧洞上部圍巖的水力梯度，由45左右降低到10以下，壓力水頭等值線有明顯的變疏趨勢。但是，固結(jié)灌漿在降低壓力水頭的同時，對高壓隧洞下部巖體的水力梯度降低不明顯，依舊達(dá)到36左右。因此，在高壓隧洞固結(jié)灌漿的基礎(chǔ)上，還有必要做適當(dāng)?shù)姆罎B處理(如帷幕灌漿等)，以降低水力梯度，保證滲透穩(wěn)定。

3 與有限元計算成果對比

本文同時采用有限元方法，對陽江抽水蓄能電站高壓水道內(nèi)水外滲進(jìn)行了滲流研究。圖5為運(yùn)行期工況①有限元計算斷面壓力水頭等值線。

圖5 計算剖面壓力水頭等值線(單位：m)

對比離散元與有限元計算成果，兩者計算結(jié)果總體規(guī)律相似，隧洞充水后發(fā)生內(nèi)水外滲，滲向隧洞外的下游，壓力水頭由799 m向隧洞外逐漸降低。在鋼筋混凝土襯砌段與鋼板襯砌段交界處附近，壓力水頭等值線較密集，表明該區(qū)域水力梯度較大，應(yīng)重視工程處理措施。由于有限元基于等效連續(xù)介質(zhì)模型，巖體滲透特性分布相對均勻，滲流水頭等值線分布也相應(yīng)較規(guī)則。而離散元基于離散介質(zhì)模型，由于巖體滲透特性分布相對離散，相應(yīng)的滲流水頭等值線也相對凌亂。由于離散元法考慮的地質(zhì)模型更符合實(shí)際，在實(shí)際工程中可與有限元法互為補(bǔ)充。

4 結(jié) 語

本文將UDEC應(yīng)用于高壓隧洞內(nèi)水外滲的裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流分析。結(jié)果表明，基于UDEC的高壓隧洞內(nèi)水外滲離散元分析是可行的，主要結(jié)論如下：

(1)離散元與有限元法計算結(jié)果總體規(guī)律相似，離散元滲流水頭等值線相對凌亂。但離散元法考慮的地質(zhì)模型更符合實(shí)際，可與有限元法互為補(bǔ)充。

(2)在高壓隧洞充水條件下，隧洞周圍的斷層為主要的滲流路徑，穿過高壓隧洞的斷層f722、f721、f720、f719、f747等形成主要的滲流通道，f721的滲漏量達(dá)5.0 L/min。為降低滲漏量，避免滲透破壞，需對主要的斷層進(jìn)行灌漿處理。

(3)充水情況下，高壓隧洞的固結(jié)灌漿對防滲起到一定的效果，能有效降低圍巖的裂隙水壓力及其水力梯度。

(4)鋼筋混凝土襯砌與鋼板襯砌結(jié)合處的水力梯度產(chǎn)生突增現(xiàn)象，隧洞的固結(jié)灌漿對隧洞上部巖體的水力梯度降低有顯著效果，由45左右降低到10以下。但隧洞下部巖體水力梯度依舊達(dá)到36左右。在防滲處理時，除進(jìn)行隧洞的固結(jié)灌漿外，還需增加其他防滲措施(如帷幕灌漿等)，以降低巖體的水力梯度。

[1]李新星， 蔡永昌， 莊曉瑩， 等. 高壓引水隧洞襯砌的透水設(shè)計研究[J]. 巖土力學(xué)， 2009， 30(5)： 1403- 1408．

[2]侯靖， 胡敏云. 水工高壓隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題的討論[J]. 水利學(xué)報， 2001(7)： 36- 40．

[3]張春生. 混凝土襯砌高壓水道的設(shè)計準(zhǔn)則與巖體高壓滲透試驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2009， 28(7)： 1305- 1311．

[4]MARWA E M M. Geotechnical considerations in an unlined high pressure tunnel at Lower Kihansi in Tanzania[J]. Bulletin of Engineering Geology & the Environment， 2004， 63(1)： 51- 55．

[5]楊林德， 丁文其. 滲水高壓引水隧洞襯砌的設(shè)計研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 1997(2)： 112- 117．

[6]蘇凱， 伍鶴皋. 水工隧洞內(nèi)水外滲耦合分析[J]. 巖土力學(xué)， 2009， 30(4)： 1147- 1152．

[7]杜小凱， 任青文， 陳偉. 有壓引水隧洞內(nèi)水外滲作用研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報： 工程科學(xué)版， 2008， 40(5)： 63- 68．

[8]張繼勛， 盛亮， 任旭華， 等. 深埋隧洞滲流與應(yīng)力耦合分析[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2012， 34(4)： 20- 23．

[9]張巍， 黃立財. 基于滲流場與應(yīng)力場耦合的高壓隧洞設(shè)計[J]. 水利與建筑工程學(xué)報， 2007， 5(2)： 41- 44．

[10]張巍， 黃立財， 陳世玉. 高壓鋼筋混凝土隧洞透水襯砌設(shè)計理論的進(jìn)一步研究[J]. 廣東水利水電， 2008(9)： 1- 4．

[11]陶連金， 姜德義， 孫廣義， 等. 節(jié)理巖體中地下水流動的離散元模擬[J]. 煤炭學(xué)報， 2000， 25(1)： 1- 4．

[12]CAPPA F， GUGLIELMI Y， SOUKATCHOFF V M， et al. Hydromechanical modeling of a large moving rock slope inferred from slope leveling coupled to spring long-term hydrochemical monitoring： example of the La Clapiere landslide[J]. Journal of Hydrology， 2004， 291(1)： 67- 90．

[13]王洪濤. 裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流與離散元耦合分析充水巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2000， 27(2)： 30- 33．

[14]耿萍， 于本昌， 何悅， 等. 隧洞開挖后滲流量影響因素分析[J]. 鐵道建筑， 2014(4)： 54- 57．

(責(zé)任編輯 楊 健)

UDEC-based Discrete Element Analysis of Seepage from Inside to Outside for High Pressure Tunnel

ZHANG Wei1，2, CHEN Yunchang3, HUANG Licai3, LIU Linjun3

(1. School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China; 2. Research Center for Geotechnical Engineering & Information Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China;3. Guangdong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635, Guangdong, China)

The discrete element method based on UDEC is used to study the fracture seepage from inside to outside of the typical geological section of high pressure tunnel in Yangjiang Pumped-storage Power Station. The study results show that, the consolidation grouting of high pressure tunnel can effectively reduce the rock mass fissure water pressure and hydraulic gradient, and the hydraulic gradient decreasing effect for upper rock mass is more obvious than lower rock mass. Comparing with finite element calculation results, the general laws are similar, but the seepage head contour of discrete element method is relatively messy. Due to the geological model of discrete element method is more practical, it can be mutual complement to finite element method in actual project study．

high pressure tunnel; seepage from inside to outside; seepage flow; discrete element; UDEC; Yangjiang Pumped-storage Power Station

2015- 04- 04

張巍(1983—)，男，湖北天門人，高級工程師，博士，主要從事地下工程數(shù)值模擬研究工作．

TV139.14(265)

A

0559- 9342(2015)11- 0039- 04