基于UDEC的高压隧洞内水外渗离散元分析

张 巍，陈云长，黄立财，刘林军

(1.中山大学工学院，广州广东510275；2.中山大学岩土工程与信息技术研究中心，广州广东510275；3.广东省水利电力勘测设计研究院，广州广东510635)

基于UDEC的高压隧洞内水外渗离散元分析

张 巍1，2，陈云长3，黄立财3，刘林军3

(1.中山大学工学院，广州广东510275；2.中山大学岩土工程与信息技术研究中心，广州广东510275；3.广东省水利电力勘测设计研究院，广州广东510635)

基于UDEC的离散元法，选取典型地质剖面，对阳江抽水蓄能电站高压水道进行内水外渗裂隙渗流研究。结果表明，高压隧洞的固结灌浆能有效降低围岩的裂隙水压力及其水力梯度，且隧洞上部岩体的水力梯度降低比下部岩体明显。与有限元计算成果相比，计算结果总体规律相似，离散元法渗流水头等值线相对凌乱，但其考虑的地质模型更符合实际，可与有限元法互为补充。

高压隧洞；内水外渗；渗流；离散元；UDEC；阳江抽水蓄能电站

0 引 言

随着大型水电站尤其是抽水蓄能电站的建设，出现了越来越多的高水头水工隧洞。在高水头作用下，混凝土衬砌难免开裂成为透水介质，发生内水外渗，围岩成为承载主体[1- 4]。高压隧洞设计应遵循3大基本准则：最小覆盖厚度准则、最小地应力准则和渗透稳定准则。工程实践表明，在满足前2大准则的前提下，高压隧洞的整体稳定是有保障的，应重点关注渗漏和渗透稳定问题[5- 10]。

Cundall于 1971年提出并发展完善的离散元软件UDEC，假定流体只在节理内流动(岩块不透水)，以此来模拟流体沿节理裂隙网络的扩展与迁移行为，并借助节理水力开度描述裂隙水压力与介质骨架相互作用，实现裂隙岩体的渗流应力全耦合分析。陶连金等[11]较早进行了某水电站地下厂房规则裂隙岩体流固耦合的离散元数值模拟。Cappa等[12]、王洪涛等[13]进行了实际岩质边坡的渗流应力耦合离散元模拟。耿萍等[14]进行了隧洞开挖的数值模拟。本文采用基于UDEC的离散元法，选取阳江抽水蓄能电站典型地质剖面，对高压水道进行内水外渗裂隙渗流研究。

1 工程地质条件

1.1 工程概况

阳江抽水蓄能电站位于广东省阳春市与电白县交界处的八甲山区，地理位置处于广州—湛江粤西片的中部，距广州市230 km。电站装机2 400 MW，分两期建设。一期装机1 200 MW，采用1管3机供水，引水隧洞主管管径7.4 m，支管管径3.0 m。高压引水岔管及引水隧洞采用钢筋混凝土衬砌，引水支管采用钢衬砌。高压混凝土隧洞静水压力799 m，水头超过了国内所有混凝土隧洞。

1.2 典型地质剖面

通过对高压隧洞及所在地区地质条件的分析，选取沿2号支管所在纵剖面进行裂隙网络渗流分析。裂隙网络渗流分析中所考虑的区域主要断层和节理裂隙的特征分述如下。

1.2.1 断层

依据高压隧洞工程地质及水文地质条件的勘探资料，高压隧洞区断层分布按其走向划分主要有4组断层构造：北东～北北东向组(NE～NNE)、北西～北北西向组(NW～NNW)、近东西向组(EW)、近南北向组(SN)。计算剖面主要断层见图1。断层特征见表1。

图1 沿2号支管纵剖面主要断层

1.2.2 节理裂隙

根据地质报告和相关探硐资料，高压隧洞处岩体主要包括5组优势裂隙：

(1)近SN向组(走向SN、N5°～15°E、N5°～15°W，倾向E～W，倾角70°～80°)为陡倾角节理裂隙，裂隙频率为0.5～1.5条/m，延伸较短，多闭合，无填充，少数微张，裂面粗糙。

表1 裂隙渗流计算考虑的断层特征

(2)NWW组(走向N70°～80°E，倾向NW、SE，倾角70°～85°)为陡倾角节理裂隙，个别缓倾角，裂隙频率为0.1～0.8条/m，延伸稍长，多闭合，无填充，少数微张，裂面粗糙。

(3)NW组(走向N20°～30°W，倾向SW、NE，倾角30°～60°)为缓倾角节理裂隙，裂隙频率为0.5～1.5条/m，延伸较长，多闭合，无填充。

(4)NE组(走向N65°～75°E，倾向NW、SE，倾角25°～80°)多为缓倾角节理裂隙，裂隙频率为0.2～0.6条/m，延伸较长，多闭合，无填充。

(5)近EW向组(走向近EW，倾向S～N，倾角70°～85°)为陡倾角节理裂隙，裂隙频率小于0.1条/m，延伸较短，多闭合，无填充，裂面粗糙。

2 裂隙网络渗流离散元分析

2.1 计算模型

计算区域以钢衬隧洞末端中心点为坐标原点，沿水平方向且指向下游为x轴正方向，垂直于岔管轴线方向为y轴正向。模型计算范围为：x向从下游钢支管厂房边墙向上游取455 m；y向从高程-125～150 m共取275 m。模型包含主要断层及5组优势节理裂隙。渗流计算模型见图2。模型采用三角形单元进行剖分，块体数5 416个，可变形三角形单元13 243个，网格结点23 840个，接触数24 280个。

图2 计算剖面离散元网络模型

2.2 边界条件

模型四周为位移约束边界；模型上、下游为已知水头边界按随高程线性变化设置，水头呈梯形分布。模型底部为不透水边界，上部为自由边界；高压引水道钢筋混凝土衬砌段为定水头边界，水头根据不同的工况设定，钢衬段为不透水边界。

2.3 计算参数

计算中所需的力学参数根据地质报告和相关规范及工程经验选取。本次裂隙渗流计算岩块力学参数及流体参数见表2。结构面力学参数见表3。

表2 岩块力学参数及流体参数

表3 结构面力学参数

2.4 计算工况

考虑高压隧洞固结灌浆情况选取4个工况，进行高压隧洞围岩裂隙渗透规律的计算分析(见表4)。主要考虑高压隧洞固结灌浆前后洞壁水头降低对裂隙渗流的影响。后3种计算工况的洞壁水头根据三维有限元渗流计算确定。

表4 计算工况

2.5 计算结果分析

高压隧洞充水运行情况下，各工况计算结果规律相近，区别主要在量值和局部区域。以工况①为例进行分析，计算剖面裂隙水压力见图3。裂隙渗流压力水头等值线见图4。从图3可以看出，裂隙水压力总体上沿着裂隙向隧洞外逐渐减小，这是符合工程实际的。从图4可以看出，裂隙网络的压力水头等值线从高压隧洞边缘向外凸并偏向下游端，表明高压隧洞在充水运行情况下发生内水外渗，渗向隧洞外的下游。高压隧洞混凝土衬砌管与钢衬支管结合处压力水头等值线分布密集，水力梯度达到了45左右，而且高水力梯度分布范围大。

图3 计算剖面水压力分布(单位：m)

图4 计算剖面压力水头等值线(单位：m)

4种工况下的压力水头等值线表明，高压隧洞的固结灌浆处理在降低围岩总体水压力的同时，也显著降低了高压隧洞上部围岩的水力梯度，由45左右降低到10以下，压力水头等值线有明显的变疏趋势。但是，固结灌浆在降低压力水头的同时，对高压隧洞下部岩体的水力梯度降低不明显，依旧达到36左右。因此，在高压隧洞固结灌浆的基础上，还有必要做适当的防渗处理(如帷幕灌浆等)，以降低水力梯度，保证渗透稳定。

3 与有限元计算成果对比

本文同时采用有限元方法，对阳江抽水蓄能电站高压水道内水外渗进行了渗流研究。图5为运行期工况①有限元计算断面压力水头等值线。

图5 计算剖面压力水头等值线(单位：m)

对比离散元与有限元计算成果，两者计算结果总体规律相似，隧洞充水后发生内水外渗，渗向隧洞外的下游，压力水头由799 m向隧洞外逐渐降低。在钢筋混凝土衬砌段与钢板衬砌段交界处附近，压力水头等值线较密集，表明该区域水力梯度较大，应重视工程处理措施。由于有限元基于等效连续介质模型，岩体渗透特性分布相对均匀，渗流水头等值线分布也相应较规则。而离散元基于离散介质模型，由于岩体渗透特性分布相对离散，相应的渗流水头等值线也相对凌乱。由于离散元法考虑的地质模型更符合实际，在实际工程中可与有限元法互为补充。

4 结 语

本文将UDEC应用于高压隧洞内水外渗的裂隙网络渗流分析。结果表明，基于UDEC的高压隧洞内水外渗离散元分析是可行的，主要结论如下：

(1)离散元与有限元法计算结果总体规律相似，离散元渗流水头等值线相对凌乱。但离散元法考虑的地质模型更符合实际，可与有限元法互为补充。

(2)在高压隧洞充水条件下，隧洞周围的断层为主要的渗流路径，穿过高压隧洞的断层f722、f721、f720、f719、f747等形成主要的渗流通道，f721的渗漏量达5.0 L/min。为降低渗漏量，避免渗透破坏，需对主要的断层进行灌浆处理。

(3)充水情况下，高压隧洞的固结灌浆对防渗起到一定的效果，能有效降低围岩的裂隙水压力及其水力梯度。

(4)钢筋混凝土衬砌与钢板衬砌结合处的水力梯度产生突增现象，隧洞的固结灌浆对隧洞上部岩体的水力梯度降低有显著效果，由45左右降低到10以下。但隧洞下部岩体水力梯度依旧达到36左右。在防渗处理时，除进行隧洞的固结灌浆外，还需增加其他防渗措施(如帷幕灌浆等)，以降低岩体的水力梯度。

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(责任编辑 杨 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

张巍(1983—)，男，湖北天门人，高级工程师，博士，主要从事地下工程数值模拟研究工作．

TV139.14(265)

A

0559- 9342(2015)11- 0039- 04