那邦水电站引水隧洞渗流分析

孔令学，刘泽雄，宁 宇

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

那邦水电站引水隧洞渗流分析

孔令学，刘泽雄，宁 宇

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

在分析那邦水电站引水隧洞水文地质条件的基础上，根据实测渗流量，以代表剖面反算得到围岩的平均渗透系数。各工况渗流场计算分析表明，Ⅲ类围岩洞段在没有衬砌的条件下，地下水位线不会因外水内渗而明显降低，发电流量不会因内水外渗产生较大损失，渗流量和围岩渗流梯度均处于可接受的范围内，为取消Ⅲ类围岩洞段衬砌提供了依据。

引水隧洞；渗流；地下水位线；流量损失；那邦水电站

0 引 言

那邦水电站位于云南省德宏州盈江县境内勐乃河干流上，引水隧洞总长9 717 m，处于自然保护区地面以下，主要采用全断面TBM掘进。设计开挖断面圆形洞径4.5 m，最大内水压力91.6 m，机组引用流量34.1 m3/s，额定水头624.8 m，总装机180 MW。隧洞沿线地形起伏较大，围岩岩性主要为片麻岩，局部夹片岩。沿线褶皱和断层较发育，主要褶皱为瓦蕉背斜，主要断层为马蹄口断裂。Ⅲ类围岩洞段长4 169 m，占42.9%[1]。目前，DL/T 5195—2004《水工隧洞设计规范》对Ⅲ类围岩隧洞衬砌与否没有绝对要求，而本工程Ⅲ类围岩隧洞衬砌与否对工程直接投资和控制工期影响均较大。

如果Ⅲ类围岩隧洞不衬砌，就要对以下3个问题进行分析：①隧洞沿线位于自然保护区内，是否会导致地下水位降低，从而对保护区森林植被造成不利影响？②是否会造成发电流量的外渗损失，减少发电效益？③Ⅲ类围岩洞段周围地下水位线较高(位于洞顶以上73～607 m)，检修期是否会在洞壁周围形成较大的水力梯度，影响围岩稳定？本文选取有代表性且简便可行的二维模型进行数值模拟，为Ⅲ类围岩隧洞衬砌与否提供依据。

1 代表剖面选取

由于隧洞较长，占地范围大，沿线地面起伏较大，地层结构复杂，给有限元建模和边界条件的确定带来了很大的难度[2-3]。因此，在技术可行的前提下，需要选取能够代表隧洞沿线水文地质的典型断面进行计算分析，以达到准确度与效率相平衡的效果。引水隧洞渗流计算剖面位置见图1。代表剖面描述见表1。

图1 引水隧洞渗流计算剖面位置

表1 代表剖面描述

本工程引水隧洞全洞打通历时约2年。在开挖过程中，已开挖断面经历了枯季和雨季的交替作用。据实际量测，下游段长2 717 m(桩号7+000～9+717)的范围内枯季渗流量为0.12 m3/s，雨季为0.26～0.28 m3/s。为获得可靠的渗透系数指标，在该范围内根据不同围岩类别选择3个代表剖面(1—1、2—2、3—3剖面)进行反算，得出Ⅲ类围岩的渗透系数后，即可在桩号7+000前选择Ⅲ类围岩洞段代表剖面(4—4、5—5剖面)进行渗流分析。

2 工况分析

引水隧洞从建设到运行维护期间，衬砌和围岩处于不同的受力状态。对渗流而言，主要是会遇到不同的水力边界条件，这些条件下的渗流状况差异很大。计算工况主要分为施工期、运行期、检修期(见表2)。其中，运行期和检修期有衬砌，但施工期衬砌未完成，假设无衬砌。

表2 计算工况

水工隧洞外水内渗和内水外渗的最大可能渗流量是水工设计的关键问题[4]。针对这个问题，本文分别考虑了2种极端情况，对前者，假设每m2地面雨季有1×10-6m3/s的渗水补给，从而地下水位线会有所抬升，直至到达地表；对后者，假设某特枯季节，地下水没有补给，水位线已降低至隧洞底板以下。

不论是枯季还是雨季，地下渗流场总是处在动态变化之中，需采用非稳定渗流计算[5]，初始地下水位线均根据地质剖面确定。计算结果中，考虑运行期时间较长，而检修期时间较短，特取持续运行100 d的渗流场为运行期代表状态、取持续10 d洞内无水的渗流场为检修期代表状态。此外，由于施工期较长，也取持续施工100 d时的渗流场为施工期代表状态。

3 反算渗透系数

由于隧洞埋深大，穿越平面范围也大，如果不同深度的不同围岩类别均要通过试验获得渗透参数，工作量将十分巨大，且试验成果与实测流量不一定能形成对应关系。因此，根据实测流量，反算得到平均渗透参数是技术可行、降本增效的好方法。

对桩号7+000～9+717范围内的1—1、2—2、3—3代表剖面进行反算，得出的渗透系数见表3。

表3 反算得出的各类介质渗透系数

注：①据现场观察，处于Ⅳ类围岩地区的瓦蕉背斜洞段渗水量大，说明渗透性强，故取值相对较大；②引7+000下游洞段Ⅲ类围岩节理裂隙倾角(约75°)较上游段(约50°)大，对隧洞渗流影响较大，故渗透系数取值也较大。

4 Ⅲ类围岩洞段渗流分析

计算所得的调压室上游侧Ⅲ类围岩剖面的单宽渗流量和最大渗流梯度见表4。从表4可知，渗流场(不衬砌与衬砌相比)有以下规律：

(1)各工况下，前者的渗流量均较后者大，为后者的15～26倍。前者最大渗流梯度较小，符合一般规律。

表4 Ⅲ类围岩洞段渗流分析结果

注：负号表示外内水外渗。

(2)最大外水内渗流量均发生在雨季检修工况。前者渗流量虽明显大于后者，为后者的23倍，但即使如此，据前者的绝对单宽渗流量6.44×10-5m3/s推算，Ⅲ类围岩洞段(长4 169 m)总内渗流量为0.268 m3/s。因该区常年雨量丰沛，所以该渗流量并不大[6]，不存在大量地下水渗入隧洞，致使自然保护区内地下水位大幅下降的可能。

(3)内水外渗发生在运行期枯季工况。前者渗流量约为后者的15倍，但据前者-3.34×10-5m3/s的外渗流量推算，Ⅲ类围岩洞段总外渗流量为0.139 m3/s，占引用流量34.1 m3/s的0.4%，外渗流量也不大。考虑本区几乎没有特别干旱的季节，不会因引用流量发生明显的渗漏损失而降低发电效益。

(4)前者在雨季运行期的内渗流量为后者的26倍，虽绝对量少，但可一定程度利用围岩储存的水量增加发电效益。假设Ⅲ类围岩洞段渗流量均匀分布，则可利用围岩渗水0.104 m3/s，占引用流量的0.3%，即雨季可增加约0.3%的发电可供用水。

(5)前者发生在围岩边壁的最大渗流梯度为9.94，仅为后者(169.43)的5.9%，且一般认为完整性较好的新鲜岩体允许渗流梯度至少在20以上，完整性稍差的部位具有“渗压释放”效应，实际渗流梯度会大幅下降[7]。故不衬砌围岩渗流梯度是可以接受的。

典型工况渗流场等势线和地下水位线分布见图2。从图2可知，衬砌与不衬砌相比，雨季对渗流场的影响差别不大，枯季也是如此，且影响范围较小。在特别干旱的季节，因隧洞对周围岩体有一定的水量补给，洞线附近地下水下降趋势得到了缓解，对维持地下水位的稳定，保护森林植被有一定作用。

隧洞中部(4—4剖面)和首部(5—5剖面)的Ⅲ类围岩洞段，渗流规律与调压室上游侧(1—1剖面)Ⅲ类围岩洞段基本类似，不再赘述。

图2 Ⅲ类围岩洞段渗流等势线(单位：m)

5 结 语

(1)Ⅲ类围岩不衬砌时渗流绝对量不大，不存在大量地下水渗入隧洞，使保护区地下水位大幅降低的可能，相反能在特别干旱时期对地下水进行一定的补给，有利于稳定地下水位，保护森林植被；也不会因引用流量向周围岩体发生明显的渗漏损失而降低发电效益，相反，可以少量利用地下渗水，增加发电收益。Ⅲ类围岩不衬砌时最大渗流梯度较小，仅为9.94，不易产生渗透破坏，洞壁稳定有保障。综合而言，从渗流角度出发，Ⅲ类围岩洞段不必衬砌。

(2)经核算，取消Ⅲ类围岩洞段混凝土衬砌后可节约土建直接投资1 277万元，减少控制工期12个月，且洞径扩大，水头损失减小4.52m，增加发电水头0.72%；雨季还能少量利用地下渗水，增加约0.3%的可供用水量，具有可观的近期和远期经济效益。

(3)在隧洞较长、占地范围较大、沿线地面起伏、地层结构复杂、三维有限元建模和计算难度较大的情况下，根据实测渗流量，以代表断面反算得到围岩平均渗透系数的方法是一种技术可行、快速有效的方法，可在其他类似工程中使用。

[1]宁宇， 孔令学， 刘泽雄， 等. 那邦水电站引水隧洞围岩稳定及衬砌结构深化研究报告[R]. 昆明： 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 2011．

[2]徐铁铮. 陕西引红济石工程高外水压力隧洞中地下水三维渗流计算[J]. 地下水， 2009， 31(1)： 6-8．

[3]许国安， 邵宇. 锦屏二级水电站引水隧洞三维渗流分析[J]. 长江科学院院报， 2009， 26(10)： 18-22．

[4]方镜平. 压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析[D]. 杭州： 浙江大学， 2011．

[5]中仿科技有限公司. GeoStudio实例教程[M]. 上海： 中仿科技有限公司， 2007．

[6]毛昶熙. 渗流计算分析与控制[M]. 2版. 北京： 中国水利水电出版社， 2002．

[7]徐志英. 岩石力学[M]. 3版. 北京： 中国水利水电出版社， 1993．

(责任编辑 杨 健)

Seepage Analysis of Headrace Tunnel of Nabang Hydropower Station Project

KONG Lingxue, LIU Zexiong, NING Yu

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

According to in-situ seepage quantity measurement, the average permeability of surrounding rock is got by inversing the seepage data of typical cross sections of long headrace tunnel in Nabang Hydropower Station project based on hydrogeological condition analysis. The calculation results of seepage field in different operation conditions indicate that, for tunnel sections with Class-III surrounding rock, the underground water level will not have a obvious lower and the diversion flow will not have a greater loss as seepage water from surrounding rock to tunnel or tunnel to surrounding rock when no lining in tunnel. The seepage quantity and the seepage gradient of surrounding rock are within acceptable range, which support to cancel the linings of tunnel sections in Class-III surrounding rock area．

headrace tunnel; seepage; underground water level; water loss; Nabang Hydropower Station

2016-04-25

孔令学(1983—)，男，云南玉溪人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作．

TV223.4(274)

A

0559-9342(2016)11-0047-03