劉普勝，陳鍇錕，李博勇，李俊清，馮 城

(1. 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3. 武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

抽水蓄能電站作為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的特殊電源及最環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率最高、最具經(jīng)濟(jì)性大規(guī)模開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)能設(shè)施，其開(kāi)發(fā)建設(shè)被列入了水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃的十大重點(diǎn)任務(wù)之一[1]。目前，我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)已進(jìn)入全面發(fā)力階段，以滿(mǎn)足我國(guó)的電力需求[2]。

隨著我國(guó)抽水蓄能電站的興建，作為水工建筑物引水系統(tǒng)重要組成部分的壓力隧洞。正向“洞線(xiàn)長(zhǎng)、洞徑大、埋藏深”的方向發(fā)展[3]，同時(shí)隧洞圍巖和岔管區(qū)承受較高的壓力水頭，如天荒坪抽水蓄能電站壓力隧洞承受最大靜水頭為680 m，動(dòng)水頭超過(guò)800 m[4]；惠州抽水蓄能電站和寶泉抽水蓄能電站承受靜水頭均超過(guò)600 m[5-6]。目前高水頭大直徑壓力隧洞采用的襯砌型式主要有鋼板襯砌和鋼筋混凝土襯砌兩種。與鋼板襯砌壓力隧洞相比，鋼筋混凝土襯砌壓力隧洞能充分發(fā)揮圍巖承載力，具有投資少、施工方便、工程量小等優(yōu)勢(shì)，有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，其缺點(diǎn)是混凝土襯砌在高水頭作用下往往難以避免地產(chǎn)生開(kāi)裂，多座抽水蓄能電站鋼筋混凝土壓力隧洞在充水后都發(fā)生了不同程度的內(nèi)水外滲現(xiàn)象[7-10]，導(dǎo)致水量損失的同時(shí)還有滲透失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。盡管采用透水襯砌設(shè)計(jì)已成為當(dāng)今水工隧洞設(shè)計(jì)的主流理念[11]，但高水頭鋼筋混凝土壓力隧洞的滲漏和滲透失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)需要得到足夠重視。

陽(yáng)江抽水蓄能電站總裝機(jī)規(guī)模2400 MW，壓力隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，靜水頭高達(dá)799 m，最大動(dòng)水壓力1108 m，遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)已建和在建的其他蓄能電站，在國(guó)際上也處于前列。本文擬對(duì)本工程超高水頭情況下采用混凝土襯砌的安全性以及防滲排水系統(tǒng)的有效性進(jìn)行評(píng)估復(fù)核，運(yùn)用有限元計(jì)算方法，對(duì)運(yùn)行期高壓隧洞區(qū)域內(nèi)水外滲進(jìn)行精細(xì)模擬，重點(diǎn)研究了高壓隧洞區(qū)的滲流場(chǎng)特征、內(nèi)水外滲量、水力劈裂風(fēng)險(xiǎn)以及滲透穩(wěn)定性，并進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。

1 滲流分析理論

根據(jù)達(dá)西定律和水流連續(xù)性方程，穩(wěn)定滲流控制微分方程為：

(1)

式中，h—水頭；kij—滲透張量。

式(1)需滿(mǎn)足如下邊界條件：

水頭邊界條件：

(2)

流量邊界條件：

(3)

式中，qn—流量邊界Γq上的已知流量；nj—邊界上的單位外法線(xiàn)向量。

出滲面邊界條件：

(4)

式中，Γs—潛在出滲邊界。

自由面邊界條件：

h=z，qn=0(on Γf)

(5)

式中，Γf—自由面邊界。

針對(duì)三維滲流計(jì)算分析問(wèn)題，有限元數(shù)值分析方法得到了廣泛應(yīng)用[12]。為了對(duì)上述穩(wěn)定滲流問(wèn)題進(jìn)行有限元計(jì)算，陳益峰等[13]提出自適應(yīng)的罰Heaviside函數(shù)對(duì)Signorini型變分不等式方法進(jìn)行了改進(jìn)，并結(jié)合排水子結(jié)構(gòu)方法提出含復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)的滲流分析SVA方法[14]。其中，變分不等式法用于確定滲流出滲點(diǎn)和自由面的位置，克服出滲點(diǎn)的奇異性；自適應(yīng)罰Heaviside函數(shù)則用于消除數(shù)值不穩(wěn)定性和網(wǎng)格依賴(lài)性；排水子結(jié)構(gòu)法用于模擬數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)精細(xì)的排水孔幕的滲流行為，簡(jiǎn)化有限元建模。該方法在一系列工程的滲流分析中得到應(yīng)用，解決了諸多難題。

2 計(jì)算模型與計(jì)算條件

2.1 有限元模型

根據(jù)陽(yáng)江抽水蓄能電站工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料以及樞紐布置方案，建立了反映地質(zhì)條件、引水輸水系統(tǒng)、地下廠房和防滲排水系統(tǒng)的精細(xì)三維有限元模型。有限元模型上游側(cè)邊界位于上水庫(kù)外圍，整個(gè)計(jì)算模型上下游邊界相距約4000 m，東西側(cè)邊界由高壓岔管為起點(diǎn)向東西兩側(cè)各延伸約750 m，模型底部高程為-300 m。模型采用六面體等參單元和部分退化的四面體單元剖分，共包括單元207.5萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)64.4萬(wàn)個(gè)，模擬的防滲帷幕面積約62384.9 m2，排水孔894根。三維有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示，模型整體如圖1(a)所示，高壓隧洞、鋼支管以及防滲排水系統(tǒng)如圖1(b)所示，關(guān)鍵斷層如圖1(c)所示。

圖1 三維有限元模型及網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

計(jì)算所取邊界條件如下：

(1)上下游庫(kù)水淹沒(méi)區(qū)取定水頭邊界，水位分別為上下庫(kù)正常蓄水位773.7 m和103.7 m；東西兩側(cè)(平行于引水發(fā)電系統(tǒng))邊界條件由初始滲流場(chǎng)反演結(jié)果獲得。

(2)運(yùn)行工況下，引水高壓隧洞混凝土襯砌部分取定水頭邊界，水頭為上游水位773.7 m；引水鋼支管為鋼板襯砌，因此取為隔水邊界。

(3)底部邊界取隔水邊界，模型上表面除庫(kù)水淹沒(méi)區(qū)之外區(qū)域，各洞室內(nèi)壁、廊道內(nèi)壁以及排水孔幕內(nèi)壁均設(shè)為Signorini潛在溢出邊界。

2.3 計(jì)算參數(shù)

表1 各材料滲透系數(shù) 單位：cm/s

3 滲流場(chǎng)和滲透穩(wěn)定分析

3.1 水頭分布特征

高壓隧洞縱剖面等水頭線(xiàn)分布如圖2所示。從圖2中可以看出，高壓隧洞區(qū)域滲流自由面在防滲帷幕、岔管排水孔作用下顯著下降，在廠房排水結(jié)構(gòu)的作用下進(jìn)一步下降。地下廠房大部分位于地下水位以下，但其水頭值均在零值附近，滲透壓力很小。以上現(xiàn)象皆表明各廊道及排水孔排水降壓效果顯著。從圖2中還可以看出，高壓隧洞洞周水頭從洞內(nèi)邊緣向外依次降低，隧洞周?chē)^等值線(xiàn)分布密集，離隧洞較遠(yuǎn)處水頭線(xiàn)較為稀疏，表明隧洞內(nèi)的高壓水向圍巖中滲透，并且在洞周襯砌和固結(jié)灌漿的作用下，滲透壓力迅速下降。

圖2 高壓隧洞縱剖面等水頭線(xiàn)分布圖(單位：m)

為了更直觀精細(xì)地看到襯砌和固結(jié)灌漿的效果，各剖面高壓隧洞周?chē)膲毫λ^分布細(xì)部圖如圖3所示。從圖3中可以看出，高壓隧洞內(nèi)約800 m靜水頭經(jīng)過(guò)襯砌后減小22～44m，經(jīng)過(guò)6m固結(jié)灌漿之后水頭減小156～178 m。另外，斷層及其影響帶滲透性強(qiáng)，在不做處理的情況下，是高壓隧洞內(nèi)水外滲的優(yōu)勢(shì)通道。而圖3中水頭線(xiàn)在斷層處明顯向內(nèi)凹，說(shuō)明在距離隧洞相同距離處，斷層水壓力值削減更快，表明斷層處襯砌和固結(jié)灌漿截?cái)嗔藘?nèi)水通過(guò)斷層外滲的通道，起到了顯著的防滲作用；同時(shí)，在斷層穿越高壓隧洞部位，水壓力的削減主要通過(guò)灌漿圈實(shí)現(xiàn)，反映了在采用混凝土襯砌時(shí)固結(jié)灌漿的重要性。

圖3 高壓隧洞周?chē)鷫毫λ^分布細(xì)部圖

3.2 滲漏量分析

各廊道洞室的滲流量見(jiàn)表2(負(fù)值代表流出，正值代表流入)，其中高壓隧洞下平段滲流量為17.17 L/s，說(shuō)明在襯砌和固結(jié)灌漿的作用下，隧洞的內(nèi)水外滲得到有效控制；廠房洞室的滲流量?jī)H為2.91L/s，說(shuō)明在岔管和廠房周?chē)潘O(shè)施聯(lián)合作用下，廠房洞室無(wú)較大滲漏問(wèn)題。

表2 各廊道洞室滲漏量 單位：L/s

3.3 圍巖水力劈裂風(fēng)險(xiǎn)性校核

目前國(guó)內(nèi)水工高壓隧洞設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是最小覆蓋層準(zhǔn)則和最小主應(yīng)力準(zhǔn)則。最小覆蓋層準(zhǔn)則的原理是保證隧洞上覆巖體重量不小于洞內(nèi)水壓力；最小主應(yīng)力準(zhǔn)則的原理是要求不襯砌高壓隧洞沿線(xiàn)任一點(diǎn)的圍巖最小主應(yīng)力σ3大于該點(diǎn)洞內(nèi)靜水壓力，并有1.2～1.3倍的安全系數(shù)[15]。

根據(jù)SL279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，最小覆蓋層準(zhǔn)則公式為：

(6)

式中，CRM—巖體最小覆蓋深度，m；hs—洞內(nèi)靜水壓力水頭，m；γw—水的重度，N/m3；γR—巖體重度，N/m3；α—河谷岸邊邊坡傾角，(°)，α>60°時(shí)取α=60°；F—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.30～1.50。在正常運(yùn)行工況下，高壓隧洞的靜水壓力水頭為799 m，水的重度為10 kN/m3，巖體重度取27 kN/m3，α取30°，F(xiàn)取1.3，計(jì)算可得巖體最小覆蓋深度為444.22m。高壓岔管埋深505～530 m，而高壓隧洞埋深則更大，表明高壓隧洞和岔管滿(mǎn)足最小覆蓋厚度準(zhǔn)則。

可研階段對(duì)高壓隧洞附近鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試成果見(jiàn)表3。測(cè)量結(jié)果表明，高壓隧洞區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)最小主應(yīng)力水平在8.86～14.21MPa之間。由于高壓隧洞區(qū)最小主應(yīng)力大于最大內(nèi)水壓力8 MPa，滿(mǎn)足初始應(yīng)力場(chǎng)最小主應(yīng)力準(zhǔn)則。

表3 高壓隧洞附近鉆孔地應(yīng)力測(cè)試成果表

考慮到斷層處應(yīng)力相比圍巖水平較低，同時(shí)考慮一定的安全裕度，為防止發(fā)生水力劈裂，本文選取最小主應(yīng)力的最小值8.86MPa做一定的折減，將高壓隧洞周?chē)严稁r體最小主應(yīng)力折減20%，關(guān)鍵斷層折減30%，繪制高壓隧洞圍巖最小主應(yīng)力與水壓力差值的云圖，其中最小主應(yīng)力與水壓力差值小于零(即有可能發(fā)生水力劈裂)的區(qū)域如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，考慮地應(yīng)力折減，隧洞岔管?chē)鷰r可能發(fā)生水力劈裂的范圍很小，在豎直方向上(縱剖面)可能劈裂的最大范圍為離洞周2.6～5.3m，在水平方向上(平切面)可能劈裂的最大范圍為離洞周3.8～5.9 m。固結(jié)灌漿的入巖深度為6m，說(shuō)明即使考慮測(cè)得最小主應(yīng)力的最小值并進(jìn)行折減，可能發(fā)生水力劈裂的范圍仍在圍巖灌漿圈以?xún)?nèi)，在固結(jié)灌漿保證施工質(zhì)量、漿液填充了主要裂隙的前提下，發(fā)生水力劈裂的可能性不大。斷層處可能發(fā)生水力劈裂的范圍比周?chē)鷰r體大，應(yīng)利用水泥灌漿及化學(xué)灌漿對(duì)隧洞關(guān)鍵斷層進(jìn)行處理。

圖4 高壓隧洞和鋼支管水力劈裂可能發(fā)生區(qū)域圖

3.4 滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

高壓隧洞和鋼支管滲透坡降數(shù)值分布云圖如圖5所示。由圖5可知，由于內(nèi)水外滲的作用，高壓隧洞滲透坡降數(shù)值由內(nèi)壁向外逐漸降低。高壓隧洞圍巖及襯砌承受滲透坡降均較大，最大坡降出現(xiàn)在混凝土岔管與鋼支管相接的襯砌處，最大值為81。因此在高壓岔管和鋼支管銜接處附近應(yīng)加強(qiáng)固結(jié)灌漿，并確保灌漿質(zhì)量，防止發(fā)生滲透破壞。鋼支管以及離隧洞較遠(yuǎn)的部位滲透坡降均很小，滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定性要求。

圖5 高壓隧洞和鋼支管滲透坡降分布云圖

從圖5中還可以看出，高壓隧洞在斷層穿過(guò)的部位滲透坡降明顯比周?chē)鷰r體大，由于斷層結(jié)構(gòu)軟弱，較易發(fā)生滲透破壞，以斷層f751為例開(kāi)展?jié)B透穩(wěn)定性分析，圖6為斷層f751中心剖面的滲透坡降矢量圖。由圖6可知，穿過(guò)高壓隧洞的斷層f751的滲透坡降矢量沿洞壁向四周發(fā)散，最大坡降均出現(xiàn)在高壓隧洞襯砌外圍固結(jié)灌漿圈內(nèi)，最大值為32，若不設(shè)灌漿極易發(fā)生滲透破壞，再次證明了需要確保斷層處固結(jié)灌漿的施工質(zhì)量，必要時(shí)可采用化學(xué)灌漿處理。在斷層灌漿圈以外滲透坡降皆小于3.5，滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定性要求。

圖6 斷層f751中心剖面滲透坡降圖

4 敏感性分析

4.1 圍巖與固結(jié)灌漿滲透系數(shù)敏感性分析

由于巖體滲透系數(shù)取值具有一定不確定性，需要對(duì)其進(jìn)行敏感性分析。壓水試驗(yàn)結(jié)果表明高壓隧洞附近圍巖滲透系數(shù)在1.35×10-6～9.33×10-6cm/s范圍內(nèi)，據(jù)此制定圍巖與固結(jié)灌漿不同滲透系數(shù)組合工況見(jiàn)表5，工況一為偏安全工況，工況二為設(shè)計(jì)工況(即取表1中參數(shù))，工況三是較不利工況。三種工況下高壓隧洞橫剖面壓力水頭隨高程變化如圖7所示。由圖7可知，工況二和工況三壓力水頭差別不大，經(jīng)過(guò)襯砌和固結(jié)灌漿后削減約157.8 m，而工況一(偏安全工況)削減186.3m，這說(shuō)明第4節(jié)計(jì)算的水頭分布有一定的安全裕度。

表5 不同工況下高壓隧洞區(qū)域滲流量和最大坡降對(duì)比

圖7 不同工況下高壓隧洞橫剖面壓力水頭隨高程變化圖

三種工況下滲流量和最大坡降值的對(duì)比見(jiàn)表6?？梢钥闯龈邏核矶磧?nèi)水外滲量和廊道洞室滲流量對(duì)圍巖和固結(jié)灌漿滲透系數(shù)很敏感，較不利工況相比于設(shè)計(jì)工況內(nèi)水外滲量增大了46.1%，廊道洞室滲流量增大了52.0%。相關(guān)抽排措施應(yīng)該要能滿(mǎn)足工況三的要求。

另外，在圍巖和固結(jié)灌漿滲透系數(shù)增大時(shí)，高壓岔管和鋼支管相接灌漿處(鋼支管起點(diǎn)處)的最大滲透坡降也增大，依次為75、81和100；而高壓隧洞斷層(f721和f747)附近灌漿圈內(nèi)的坡降會(huì)減小，依次約為75、54和44。說(shuō)明圍巖和固結(jié)灌漿不同的滲透系數(shù)組合將影響不同部位的滲透穩(wěn)定性，為防止?jié)B透破壞，高壓隧洞和岔管部位各處的固結(jié)灌漿都應(yīng)能承受100左右的滲透坡降。

表4 高壓隧洞圍巖和固結(jié)灌漿不同滲透系數(shù)組合工況 單位：cm/s

4.2 混凝土襯砌不同開(kāi)裂程度敏感性分析

鋼筋混凝土襯砌受自身性質(zhì)、溫度以及高內(nèi)水壓力等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，裂縫的出現(xiàn)會(huì)引起鋼筋混凝土襯砌的滲透性能增強(qiáng)，這也是該工程重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。為正確反映鋼筋混凝土高壓水道在運(yùn)行期的滲透特性，需要對(duì)鋼筋混凝土襯砌滲透系數(shù)進(jìn)行敏感性分析。本節(jié)考慮未開(kāi)裂(滲透系數(shù)1.0×10-7cm/s)、中等開(kāi)裂(滲透系數(shù)1.0×10-6cm/s)和達(dá)到限裂設(shè)計(jì)(滲透系數(shù)1.0×10-5cm/s)三種方案。三種工況下高壓隧洞橫剖面壓力水頭隨高程變化如圖8所示，滲流量和最大坡降對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 襯砌不同開(kāi)裂工況下高壓隧洞區(qū)域滲流量和最大坡降對(duì)比

由圖8表6可知，當(dāng)襯砌未開(kāi)裂時(shí)，高壓隧洞水壓削減極快，約800 m凈水頭經(jīng)過(guò)襯砌后降低400 m左右，內(nèi)水外滲量?jī)H為4.15L/s，比設(shè)計(jì)工況(限裂設(shè)計(jì))減小75.8%，但是洞周水力坡降很大，最大值為330；襯砌中等開(kāi)裂工況的襯砌外水壓力介于未開(kāi)裂工況和限裂設(shè)計(jì)工況之間，襯砌削減水頭152.6m，內(nèi)水外滲量?jī)H為12.96L/s，比設(shè)計(jì)工況(限裂設(shè)計(jì))減小24.5%，滲透坡降最大值也高達(dá)180。盡管這兩種計(jì)算條件下內(nèi)水外滲能得到更好的控制，但是在如此高的滲透坡降下，混凝土襯砌很容易發(fā)生較大程度開(kāi)裂，高內(nèi)水壓力由襯砌和圍巖聯(lián)合承載，從工程安全的角度考慮，鋼筋混凝土襯砌按照限裂設(shè)計(jì)是合理的，但是需注意勘察平硐等輔助洞的封堵，以免成為高壓水道內(nèi)水外滲的排出通道。

圖8 混凝土襯砌不同工況下高壓隧洞橫剖面壓力水頭隨高程變化圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)陽(yáng)江抽水蓄能電站的高壓隧洞內(nèi)水外滲安全性進(jìn)行分析復(fù)核，得到的主要結(jié)論如下：

(1)防滲排水系統(tǒng)排水降壓效果明顯，高壓隧洞襯砌和固結(jié)灌漿大幅削減了壓力水頭，截?cái)嗔藬鄬拥葷B漏通道，有效控制了內(nèi)水外滲量(17.17 L/s)，圍巖水力劈裂風(fēng)險(xiǎn)性也較低。

(2)鋼支管起點(diǎn)處以及隧洞斷層相交處的固結(jié)灌漿圈滲透坡降較大，為防止發(fā)生滲透破壞，這些部位固結(jié)灌漿需保證能承受100以上的滲透坡降。

本文研究方法可為其他高壓隧洞的防滲設(shè)計(jì)以及滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。不足之處在于將巖體視為等效連續(xù)介質(zhì)，沒(méi)有對(duì)裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流進(jìn)行更精細(xì)的模擬。