李紅星 白偉 吳曉華 王之正 耿賽壘

收稿日期：

2023-09-19

作者簡介：

李紅星，男，高級工程師，主要從事水利水電工程地質勘察方面的研究工作。E-mail：277165372@qq.com

引用格式：

李紅星，白偉，吳曉華，等.安徽省石臺抽水蓄能電站高壓隧洞襯砌型式分析與評價

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：39-43，57.

摘要：

為了準確選定安徽省石臺抽水蓄能電站高壓隧洞的襯砌型式，通過分析場區(qū)的工程地質條件，結合現場試驗以及三維應力場回歸分析結果，采用“三大準則”與外水壓力對高壓隧洞進行評價。結果表明：石臺高壓隧洞滿足挪威準則與最小主應力準則，但圍巖初始劈裂壓力在引水隧洞上豎井下彎段以下局部洞段小于洞內靜水壓力，存在滲透變形破壞風險。提出在上豎井下彎段首部以下洞段采用鋼板襯砌的地質建議。研究結果對確保引水隧洞圍巖滲透穩(wěn)定的前提下優(yōu)化工程投資具有參考價值。

關鍵詞：

抽水蓄能電站； 高壓隧洞； 襯砌型式； 三大準則； 地應力

中圖法分類號：TU42

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.007

文章編號：1006-0081（2024）01-0039-05

0? 引? 言

抽水蓄能電站上下水庫天然落差大，引水隧洞內水壓力大，圍巖穩(wěn)定性對電站運行至關重要。高壓隧洞主要有鋼筋混凝土襯砌和鋼板襯砌兩種型式，采用不同的襯砌型式對工程安全和工程造價有著較大的影響，因此，隧洞襯砌型式的選擇尤為重要。根據已有工程的成功經驗，若不襯砌或使用鋼筋混凝土襯砌并使隧洞周圍的圍巖成為一個安全承載結構，則隧洞周圍必須要有足夠的巖體覆蓋厚度和地應力量值來使隧洞圍巖有安全承受隧洞內水壓力的能力，在此基礎上，圍巖還不能產生過大的滲漏和發(fā)生滲透破壞［1］。

對抽水蓄能工程高壓引水隧洞襯砌型式的分析與評價，大多采用挪威準則和最小主應力準則進行評判，往往忽視了滲透穩(wěn)定準則。天然巖體內存在大量的節(jié)理裂隙，而裂隙中又往往有夾泥膜或碎屑物充填，當引水隧洞襯砌開裂時，在一定壓力滲透水流的長期作用下，巖體有可能產生滲透變形破壞。因此，滲透準則的原理是檢驗巖體的滲透性是否滿足滲透穩(wěn)定要求，即內水外滲量不隨時間的延長而持續(xù)增加或突然增加［2-3］。本文歸納總結了3個最常用的不襯砌或使用限裂結構的鋼筋混凝土襯砌隧洞圍巖承載設計準則，來對高壓隧洞進行分析評價，即挪威準則、最小主應力準則和滲透穩(wěn)定準則，最終提出襯砌型式地質建議。此外，針對高壓壓水與水力劈裂試驗的局限性，創(chuàng)新性提出巖體初始劈裂壓力的取值應綜合考慮試驗部位的巖體特性，并擴展到相似的地質單元內，不能只考慮試驗部位（高程）。

1? 工程概況

石臺抽水蓄能電站位于安徽省池州市石臺縣，距離合肥市直線距離185 km。工程開發(fā)任務為承擔電力系統(tǒng)調峰、填谷、儲能、調頻、調相和備用等。電站裝機容量1 200 MW，屬日調節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時數8 h。裝設4臺單機容量300 MW立軸單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，設計年發(fā)電量14.71億kW·h，設計年抽水耗電量19.61億kW·h，綜合效率約為75%。初擬以500 kV電壓等級接入涓橋變電站，出線2回。

上下水庫天然落差約490 m，距高比約4.0。輸水系統(tǒng)布置于上下水庫之間的山體內，總長約2 453 m，輸水發(fā)電系統(tǒng)采用兩洞四機布置。引水隧洞平面上呈直線布置，方位角為NW39.5°；引水隧洞平面呈西南至東北走向布置，引水支管呈70°夾角進入廠房，立面采用二級豎井布置。

2? 引水隧洞工程地質條件

引水隧洞由上平洞、引水調壓井、上豎井、中平洞、下豎井、下平洞以及引水岔管及支管組成。

引水隧洞穿越的地層為震旦系下統(tǒng)休寧組（Zax），巖性為長石石英砂巖夾巖屑砂巖，根據層厚不同分為3個亞段，總體以中厚-厚層狀為主。為確定各類結構巖體的類別，分別按GB/T 50218《工程巖體分級標準》、GB 50287《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》和國際通用的Q系統(tǒng)分類法3種方法對隧洞進行了圍巖工程地質分類。對比分析表明，3種方法的圍巖工程地質分類結果基本一致，局部個別洞段圍巖類別略有差異，綜合評價引水隧洞圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，占比約85%。通過勘探平洞、鉆孔及物探解譯，輸水發(fā)電系統(tǒng)共揭露15條斷層，規(guī)模均較小，屬Ⅲ～Ⅳ級結構面。構造巖以斷層角礫巖、碎裂巖為主，多數見斷層光面及擦痕，斷層走向NE～NEE者居多。較大的Ⅲ級結構面f3、f4分別從引水上平洞與中平洞大角度相交，斷層破碎帶圍巖類別以Ⅳ類為主。

引水隧洞位于上下水庫之間的分水嶺山體內，山脊兩側地形陡峻，溝谷發(fā)育，地表徑流條件好。沿線山體完整，地下水主要為孔隙水與基巖裂隙水?？紫端饕x存于第四系覆蓋層中，直接接受大氣降水補給，埋藏深淺不一，部分補給下部基巖裂隙水；基巖裂隙水主要賦存于風化帶、構造破碎帶、巖體裂隙中，分布與含水程度主要受控于風化深度和程度、構造破碎帶發(fā)育部位和規(guī)模、地形、地表水和大氣降水等。地表水主要通過地表斜坡或沖溝排泄至水庫溝道內，地下水主要受大氣降水補給，以裂隙水形式向溝道內排泄。引水隧洞部位弱風化巖體透水率0.87～1.76 Lu，以弱透水性為主，占比75.00%，微透水性占比25.00%；微風化巖體透水率0.43～1.23 Lu，總體以微透水性為主，占比88.89%，弱透水性占比11.11%［4］。

3? 引水隧洞襯砌型式分析與評價

抽水蓄能電站高壓隧洞主要有鋼筋混凝土襯砌和鋼板襯砌兩種型式，如采用鋼板襯砌，投資較大，而且制作安裝也較為困難。若采用鋼筋混凝土襯砌，則可降低施工難度，縮短工期，達到節(jié)省投資的目的。根據已有工程的成功經驗，若不襯砌或使用鋼筋混凝土襯砌并使隧洞周圍的圍巖成為一個安全承載結構，則隧洞周圍必須要有足夠的巖體覆蓋厚度和地應力量值，來使隧洞圍巖有安全承受隧洞內水壓力的能力，在此基礎上，圍巖還不能產生過大的滲漏和發(fā)生滲透破壞［5］。以下歸納總結3個常用的不襯砌或使用鋼筋混凝土襯砌隧洞圍巖承載設計準則，即挪威準則、最小主應力準則和滲透穩(wěn)定準則。

3.1? 挪威準則

巖體覆蓋厚度是影響引水隧洞安全的一個主要因素，輸水系統(tǒng)除上、下進水口處圍巖厚度稍薄外，一般隧洞的上覆巖體厚度為48～520 m。上水庫正常蓄水位755.00 m，下水庫正常蓄水位為268.00 m，機組安裝高程162 m，最大靜內水頭為593 m。

挪威準則是經驗準則，其原理是要求不襯砌引水隧洞最小上覆巖體重量不小于引水隧洞的內水壓力，再考慮1.3～1.5的安全系數，保證圍巖在最大內水壓力作用下，不發(fā)生上抬。根據挪威準則，引水隧洞若采用鋼筋混凝土襯砌，上覆巖體的厚度應滿足公式計算出的最小覆蓋巖體厚度CRM，即要求引水隧洞上任意一點的上覆巖體厚度應大于CRM。

根據NB/T 10073-2018《抽水蓄能電站工程地質勘察規(guī)范》，按下式進行計算判斷：

CRM=hs·γw·F/γr·cosα（1）

式中：γr為巖體的重度，取27.0 kN/m3；CRM為最小覆蓋巖體厚度（不包括強風化帶巖體厚），m；α為河谷岸邊谷坡坡角，當α≥60°時，取60°；F為經驗系數，取1.5；γw為水的重度，取10 kN/m3；hs為洞內靜水壓力水頭，m。

引水隧洞各構筑物上覆巖體最小覆蓋厚度計算成果見表1。由計算結果表明，各洞段圍巖上覆巖體最小覆蓋厚度均符合挪威準則。

3.2? 最小主應力準則

最小主應力準則建立在“巖體預應力”概念基礎上，要求圍巖最小主應力σ3大于洞內靜水壓力強度P0，即σ3＞P0，并取適當的安全系數，以保證內水壓力不會使圍巖產生劈裂?？紤]到該工程水頭高，局部洞段斷層較發(fā)育，取安全系數F＞1.5為滿足最小主應力準則，1.3≤F≤1.5為基本滿足，F＜1.3為不滿足［6］。根據地應力測試及應力回歸分析獲得隧洞沿線地應力分布，分別選取上平洞、上豎井、中平洞、下豎井、下平洞和引水支管及岔管等關鍵部位進行安全系數復核計算，各部位最小主應力狀態(tài)和安全系數復核結果見表2，圖1～2?？梢娮钚≈鲬Υ笥诙磧褥o水壓力強度，滿足最小主應力準則［7］。

3.3? 滲透穩(wěn)定準則

天然巖體內存在大量的節(jié)理裂隙，而裂隙中又往往有夾泥膜或碎屑物充填，當引水隧洞襯砌開裂時，在一定壓力滲透水流的長期作用下，巖體有可能產生滲透變形破壞。因此，滲透準則的原理是檢驗巖體的滲透性是否滿足滲透穩(wěn)定要求，即內水外滲量是否隨時間的延長而持續(xù)增加或突然增加。在分析研究壓力管道與岔管圍巖滲漏及其穩(wěn)定性時，上抬理論挪威準則和最小主應力準則是判斷圍巖穩(wěn)定性的必要條件，但尚不夠，還需要研究巖體在高壓水作用下的滲透特性。依據高壓壓水試驗成果，分析不同類型巖體在高壓水作用下的抗裂隙擴張強度、抗劈裂強度、變形特征、滲透特性等，評價壓力管道圍巖在高內水壓力作用下的滲漏及穩(wěn)定性，為管道襯砌型式選擇提供地質依據［8］。

在設計內水壓力作用下，圍巖透水率或灌漿后的圍巖透水率應不大于1.0 Lu。圍巖的滲透穩(wěn)定主要與上覆巖體厚度、最小主應力、結構面張開壓力、巖體完整程度、結構面性狀、巖體透水性及洞室間距等因素有關。

石臺抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)各洞段深埋于山體中，巖體較完整，局部完整性較差，圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，斷層破碎帶、裂隙密集區(qū)為Ⅳ～Ⅴ類［9］。

可研階段在引水調壓井布置SSZK105、靠近地下廠房附近布置SSZK3與引水岔管部位布置SSZK115，進行了高壓壓水試驗（圖3）。

引水隧洞上平洞-上豎井段靜水壓力為0.48～3.25 MPa。洞段巖體以微新為主，較完整-完整，以中厚層-厚層狀結構為主，斷層構造不甚發(fā)育，推測f3斷層從上平洞大角度穿過。根據高壓壓水試驗資料，最大試驗壓力下試驗段滲透率變動范圍為0.6～3.4 Lu，受巖體風化影響，淺部巖體的滲透率總體大于深部測點，總體呈微透水性，P-Q關系曲線類型以擴張型為主，占比約80%，沖蝕型占比約20%。

引水隧洞中平洞-引水岔管及支管各洞段靜水壓力較高，為3.25～5.93 MPa。洞段巖體為微新巖體，較完整-完整，以中厚-厚層狀結構為主，斷層構造不發(fā)育，推測f4斷層從中平洞（1號引水隧洞）及上豎井下彎段（2號引水隧洞）斜穿。根據高壓壓水試驗資料，最大試驗壓力下（10.1～11.6 MPa）試驗段滲透率變動范圍為0.01～0.44 Lu，呈微-極微透水性，P-Q關系曲線表明部分試段巖體無結構面發(fā)育，或結構面性狀好，在高壓壓水試驗過程中未改變結構面性狀，擴張型和沖蝕型曲線類型次之［10］。

尾水隧洞靜水壓力較低，為0.42～1.14 MPa。洞段巖體以弱風化-微新巖體為主，較完整，以中厚層夾薄層狀結構為主，斷層規(guī)模較小，裂隙不甚發(fā)育，根據高壓壓水試驗資料，最大試驗壓力下試驗段滲透率變動范圍為0.29～0.57 Lu。

測段的初始劈裂壓力與巖性相關，花崗斑巖測段的初始劈裂試驗壓力明顯大于長石石英砂巖測段，在孔口試驗壓力為1～6 MPa的情況下，多數長石石英砂巖測段在高壓壓水試驗過程中被（初步）劈裂。按照初始劈裂法則，3個測孔的試驗結果較為一致，長石石英砂巖巖體的初始劈裂壓力范圍為3.0～5.9 MPa，花崗斑巖試驗孔段初始劈裂壓力大于6.7 MPa（圖4）［11］。

根據高壓壓水試驗成果及地質勘探成果綜合分析，引水隧洞上平洞與上豎井段巖體劈裂壓力大于靜水壓力，圍巖基本滿足滲透穩(wěn)定要求；中平洞（包括上豎井下彎段）-高壓岔管及支管段巖體初始劈裂壓力局部小于靜水壓力，結構面產生擴張和沖蝕破壞，但破壞后的巖體滲透率仍小于1 Lu，結合揭露的地質條件分析，f4斷層從中平洞（1號引水隧洞）及上豎井下彎段（2號引水隧洞）斜穿，斷層帶內巖體破碎，工程性狀較差，易發(fā)生沖蝕滲透變形，存在局部滲透穩(wěn)定問題；尾水隧洞屬于低壓洞段，巖體劈裂壓力大于靜水壓力，圍巖滿足滲透穩(wěn)定要求，但從勘探平洞揭示情況看，沿f13、f17斷層帶、巖體破碎帶等有多處涌水、線狀出水或者淋雨狀出水，多數出水點涌水時間不長，少量持續(xù)性涌水，說明斷層帶、巖體破碎帶及長大結構面等透水性較強，連通性及導水性較好，可能存在巖體劈裂并產生擴張、沖蝕的可能性，尤其斷層破碎帶及裂隙發(fā)育部位，存在內水外滲及沿斷層帶的滲透變形問題［12］。

3.4? 外水壓力分析

輸水系統(tǒng)沿線布置有SSZK103、SSZK105、SSZK108、SSZK110鉆孔，并進行地下水位長期觀測。上水庫進/出水口附近SSZK103地下水位埋深6.6～8.2 m，變幅1.6 m。引水調壓井SSZK105孔地下水位埋深12.6～16.5 m，變幅3.9 m。尾水隧洞SSZK108孔地下水位埋深58.40～59.22 m，變幅0.82 m。尾水隧洞兼開關站SSZK110孔地下水位埋深43.0～45.95 m，變幅2.95 m。說明輸水系統(tǒng)沿線各部位地下水埋深不大，各洞線位于山體地下水位線以下［13］。

在沒有考慮外排水措施的情況下，壓力管道沿線除引水上平洞與尾水隧洞外水壓力較小，其余洞段外水壓力均較大。

3.5? 地質建議

根據水工隧洞設計規(guī)范要求以及國內外已建工程經驗，對于不襯砌或采用鋼筋混凝土襯砌的高壓隧洞，須滿足三大準則要求。根據上述分析，石臺抽水蓄能電站高壓隧洞在上豎井下彎段首部以下洞段局部巖體的初始劈裂壓力小于相應洞段的靜水壓力，不滿足滲透穩(wěn)定準則要求。為確保引水隧洞長期在高壓水流作用下滲透穩(wěn)定，建議從上豎井下彎段首部開始至廠房上游進行鋼板襯砌，其余洞段可采用鋼筋混凝土襯砌，但需加強高壓固結灌漿處理［14］。

考慮引水隧洞外水壓力總體較大，建議采用鋼筋混凝土襯砌的洞段，外水壓力可采取最大地下水頭進行折減，通過勘探平洞出水情況綜合考慮外水壓力折減系數取0.25～0.50為宜，其余采用鋼板砌襯洞段，外水壓力不考慮折減系數，按地下水全水頭計算。考慮到混凝土襯砌段高壓內水外滲對下游相鄰鋼襯段的影響，且局部有導水性較強的斷層、長大裂隙分布，因此相鄰鋼襯段承受的最大外水壓力可能接近于內水壓力值，建議在加強鋼襯結構抵抗外水壓力能力和防滲帷幕的同時，還應做好鋼襯的外排水措施，緊鄰混凝土襯砌段的外水壓力按內水壓力考慮，遠離混凝土襯砌段的外水壓力按地下水全水頭考慮［15］。

4? 結? 語

在通過三大準則判斷高壓引水隧洞圍巖承載能力的過程中，需結合隧洞圍巖特征綜合分析，最終提出隧洞襯砌型式的合理地質建議。在勘察過程中需注意巖體中裂隙的分布規(guī)律、性狀特征，結合高壓壓水試驗數值系統(tǒng)分析。在選取初始劈裂壓力時需根據P-Q曲線適當保守取值，在同一地質單元內做出的試驗低值要綜合分析、靈活應用，不能只看低值的試驗部位。

本文分析研究方法可為同類工程的地質評價以及襯砌型式選擇提供參考。行業(yè)內對于水力劈裂試驗中的初始劈裂壓力值的選取是只看P-Q曲線拐點還是結合巖體特征、滲透性及試驗時長綜合分析，目前尚無明確要求，還需進一步研究。

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（編輯：李? 慧）

Analysis and evaluation of high pressure tunnel lining types in Shitai Pumped Storage Power Station in Anhui Province

LI Hongxing，BAI Wei，WU Xiaohua，WANG Zhizheng，GENG Sailei

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.（Wuhan），Wuhan 430074，China）

Abstract：

To accurately select the lining type of high-pressure tunnel of Shitai Pumped Storage Power Station in Anhui Province，the "Three Criteria" and external water pressure measures were used to evaluate the high-pressure tunnel by analyzing the engineering geological conditions of the site，combining with on-site tests and three-dimensional stress field regression analysis results.The results showed that the Shitai high-pressure tunnel met the Norwegian criteria and minimum principal stress criteria，but the initial splitting pressure of the surrounding rock was lower than the hydrostatic pressure in the local section below the lower bend of the upper vertical shaft of the headrace tunnel，posing a risk of seepage deformation and failure.The geological suggestion was proposed to use steel plate lining for the tunnel section below the head of the upper vertical shaft and lower bending section.The research results can provide a reference for optimizing engineering investment while ensuring the stability of surrounding rock permeability in the diversion tunnel．

Key words：

pumped storage power station； high-voltage tunnels； lining type； Three Criteria； in-situ stress