□劉琳琳□董永霞□王耀軍

（1商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院；2黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

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高壓引水隧洞滲流分析研究

□劉琳琳1□董永霞1□王耀軍2

（1商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院；2黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

摘要：應(yīng)用FLAC3D程序?qū)煽啥嘈量死谞査姽こ虄蓷l高壓引水隧洞三種工況的滲流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，研究了高壓引水隧洞采用透水襯砌設(shè)計(jì)時(shí)，滲流場(chǎng)中水壓的變化情況。結(jié)果表明：固結(jié)灌漿對(duì)降低隧洞的滲透壓力有顯著效果，一定要保證灌漿深度和質(zhì)量；在施工完建期和檢修期，隧洞的外水壓力明顯大于內(nèi)水壓力，充水運(yùn)行期內(nèi)外水壓差別不大；檢修期，放空速度對(duì)于引水隧洞的孔壓變化情況有著十分顯著的影響。

關(guān)鍵詞：水壓力；滲流場(chǎng)；高壓引水隧洞；壓差

1工程概況

科卡科多-辛克雷水電工程是厄瓜多爾國內(nèi)特大型水電項(xiàng)目，裝機(jī)1500 mW，距離基多市約140 km的納波省的可卡科多河。水庫最高發(fā)電水位1231 m，正常發(fā)電水位1229.50 m，最低發(fā)電水位1216 m。水電站引水隧洞系統(tǒng)由上平段、豎井段、下平段三部分組成，下平段后半部分采用鋼板襯砌，其余均為鋼筋混凝土襯砌。鋼筋混凝土襯砌段隧洞內(nèi)徑5.80 m，混凝土襯砌厚度60 ，90 cm，內(nèi)水最大靜水頭超過600 m，為高壓引水隧洞。

2計(jì)算原理和方法

FLAC3D程序中的流動(dòng)模型與力學(xué)模型同時(shí)建立，模型考慮了流體與巖體之間的相互作用，既可以計(jì)算完全飽和情況下的流動(dòng)，也可以模擬具有自由水面的流動(dòng)。

3計(jì)算區(qū)域及模型建立

圖1　三維滲流數(shù)值計(jì)算區(qū)域圖

場(chǎng)區(qū)滲流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型的坐標(biāo)系為：X軸與1#引水隧洞下平段洞軸線重合，指向下游方向?yàn)檎?；Z軸為鉛直方向，向上為正，為模擬區(qū)域的實(shí)際高程；Y軸與1#引水隧洞下平段洞軸線垂直，偏北方向?yàn)檎较?；坐?biāo)原點(diǎn)取在1#引水隧洞下平段入口斷面的中心點(diǎn)。進(jìn)行滲流數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)對(duì)其中的兩條影響較大的破碎帶加以考慮具體三維滲流數(shù)值計(jì)算區(qū)域見圖1。滲流計(jì)算監(jiān)測(cè)斷面布置位置詳見表1。

表1　滲流計(jì)算監(jiān)測(cè)斷面布置位置表

4高壓引水隧洞滲流場(chǎng)計(jì)算分析

滲流計(jì)算包含施工完建期、充水運(yùn)行期和檢修期三種工況。

4.1隧洞施工完建期滲流場(chǎng)計(jì)算分析

施工完建期的滲流場(chǎng)分析分有固結(jié)灌漿圈和無固結(jié)灌漿圈兩種，1#引水管道和2#引水管道在豎井段及下平段的滲流場(chǎng)分布規(guī)律基本相似。以1#洞為例，如圖2～5所示，引水隧洞附近區(qū)域的滲流場(chǎng)比原地下滲流場(chǎng)有變，無固結(jié)灌漿圈時(shí)所產(chǎn)生的影響比有固結(jié)灌漿圈時(shí)的變化更加顯著。

在施工完建期，引水隧洞未充水，襯砌內(nèi)表面孔壓為0，襯砌外表面孔壓和固結(jié)灌漿圈外表面孔壓主要受到原地下滲流場(chǎng)的影響。對(duì)于高程在地下水位以上的區(qū)域，襯砌外表面孔壓與固結(jié)灌漿外表面孔壓均為0。對(duì)于布置在豎井段而其高程又低于該處地下水位區(qū)域，襯砌外表面孔壓與固結(jié)灌漿外表面孔壓隨埋深增加而不斷增大。對(duì)于下平段區(qū)域，襯砌外表面孔壓和固接灌漿外表面孔壓隨地下水位的下降而減小。對(duì)于同一斷面，尤其是豎井下半段與下平段位置，對(duì)于襯砌外表面的孔壓值，有固結(jié)灌漿圈時(shí)比沒有固結(jié)灌漿圈時(shí)的孔壓降低了很多，這說明固結(jié)灌漿起到了良好的阻滲作用。

4.2隧洞充水運(yùn)行期的滲流分析

正常蓄水條件下，上游邊界處水位為123 m（正常蓄水位），下游邊界水位為680 m。充水運(yùn)行期，襯砌澆筑及固結(jié)灌漿等均全部完成。

高壓隧洞充水后，襯砌、灌漿圈等受到內(nèi)水壓力作用明顯，與施工期的滲流場(chǎng)分布情況相比，此時(shí)內(nèi)水作用的影響非常顯著，尤其是對(duì)于豎井段和下平段隧洞內(nèi)水壓力較大的斷面。

在運(yùn)行期，混凝土襯砌開裂，內(nèi)外壓差相差不是很大，孔壓由襯砌內(nèi)表傳遞到襯砌外表，其水頭大約有3～9 m的下降。襯砌外表面與固結(jié)灌漿圈外表面孔壓差別較大，孔壓由襯砌外表傳遞到固結(jié)灌漿外表，水頭大約有67～220 m的下降。在斷裂帶附近固結(jié)灌漿內(nèi)外表面水頭差達(dá)到300多米，這主要是由于受到斷層的影響，固結(jié)灌漿外表面孔壓較低的緣故，因此該區(qū)域的灌漿深度應(yīng)適當(dāng)增加，降低隧洞單位面積上的滲漏量。

4.3隧洞檢修放空期的滲流計(jì)算分析

4.3.1單管檢修

在2#引水隧洞檢修放空的過程中，2#引水管道各典型斷面處襯砌內(nèi)表面位置的孔壓隨放空時(shí)間逐漸降低為0，襯砌外表面孔壓也隨之逐漸消散，受固結(jié)灌漿圈的影響，固結(jié)灌漿外表面位置的孔壓雖也有所降低，但是降低的幅度較小。在2#引水隧洞完全放空時(shí)，2#引水管道襯砌外表面孔壓相對(duì)于放空初始時(shí)刻，其消散的程度達(dá)到了21%～59%左右，而固結(jié)灌漿外表面的孔壓變化很小，其消散的程度還不到2%。

在放空檢修的過程中，襯砌內(nèi)外表面和固結(jié)灌漿內(nèi)外表面的孔壓差經(jīng)歷一個(gè)十分明顯的變化過程，隨著襯砌外表面孔壓的不斷消散，襯砌內(nèi)外表面孔壓差也會(huì)隨之不斷降低，因此檢修階段的水力坡降為瞬時(shí)值，不是長期穩(wěn)定值，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖固結(jié)灌漿圈的穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)要考慮到這一點(diǎn)。

2#引水隧洞檢修放空并沒有對(duì)1#引水隧洞的滲流場(chǎng)產(chǎn)生太大影響，詳見圖7。

4.3.2雙管檢修

在放空的整個(gè)過程中，2#引水隧洞襯砌內(nèi)外表面（外壓大于內(nèi)壓）最大壓差為387.88 m，1#引水隧洞襯砌內(nèi)外表面最大壓差為384.61 m，出現(xiàn)最大壓差的位置相同，且兩條引水洞之間的相互影響很小。

4.3.3放空速度對(duì)孔壓變化的影響

圖2　初始地下水滲透孔壓和水位分布圖

圖3　整體滲流壓力分布圖（有固結(jié)灌漿圈）/pa

圖4　局部滲透壓力及流速矢量分布圖（有固結(jié)灌漿圈）/Pa

圖5　局部滲透壓力及流速矢量分布圖（無固結(jié)灌漿圈）/Pa

圖6　2#引水隧洞檢修期豎井段滲流場(chǎng)圖

圖7　雙管檢修期階段豎井段滲流場(chǎng)圖

以上結(jié)果是按照3 m/h的放空進(jìn)行的，為了定量分析豎井2#引水隧洞1#引水隧洞2#引水隧洞1#引水隧洞段放空速度對(duì)于引水管道襯砌內(nèi)外表面孔壓的影響，將豎井段放空速度設(shè)定為4 m/h，因1#引水隧洞和2#引水隧洞相互影響較小，針對(duì)單管放空的情況進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)豎井段放空時(shí)間由3 m/h改為4 m/h時(shí)，固結(jié)灌漿內(nèi)外表面的水力坡降變化速度相對(duì)減小，大小也有所降低，而襯砌內(nèi)外表面水力坡降的變化速度則迅速增大，且其最大值也有較大程度的提高。當(dāng)豎井段放空速度為3 m/h時(shí)，襯砌內(nèi)外表面孔壓最大差值為387.88 m，水力坡降的最大值為646.47；豎井段放空速度為4 m/h時(shí)，襯砌內(nèi)外表面孔壓最大差值為422.08 m，水力坡降的最大值為703.47，出現(xiàn)的位置和時(shí)段基本相同。

由此可見，襯砌內(nèi)外表面水力坡降受放空速度的影響十分顯著，靠近豎井段底部是受放空速度影響的敏感區(qū)域，在實(shí)際檢修放空過程中需要特別注意。

5小結(jié)

根據(jù)高壓隧洞不同工況下滲流場(chǎng)的分析，對(duì)高壓隧洞設(shè)計(jì)和運(yùn)行施工提出如下建議：一是固結(jié)灌漿措施是保證高壓引水隧洞結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵所在，細(xì)致周密的灌漿圈不但可以減少運(yùn)行期的內(nèi)水外滲流量，減小隧洞沿線山體由于地下水位升高而發(fā)生滑坡破壞的可能，而且在檢修期間，可以作為襯砌的一道擋水屏障，減少作用于襯砌外表面的水壓力，避免襯砌發(fā)生外壓破壞。在保證灌漿深度的同時(shí)，加強(qiáng)灌漿圈密實(shí)性的檢查，做好灌漿規(guī)劃與質(zhì)量檢查，避免漏灌；二是檢修期間，襯砌內(nèi)外表面和固結(jié)灌漿內(nèi)外表面將存在較大的壓差和水力坡降，這對(duì)于襯砌和固結(jié)灌漿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有十分重要的影響。同時(shí)，放空速度對(duì)于引水隧洞的孔壓變化情況有著十分顯著的影響，放空速度越大，放空過程中出現(xiàn)的襯砌內(nèi)外表面最大壓差和最大水力坡降也相應(yīng)增大，因此，在實(shí)際檢修放空的過程中，對(duì)于放空的速度，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

中圖分類號(hào)：TV223.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）05-0064-03

作者簡介：劉琳琳（1982-），女，工程師，長期從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2016-01-05