句容抽水蓄能电站关键断层F113的敏感性分析

姚新刚，胡正凯，邱乾勇

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210006)

句容抽水蓄能电站关键断层F113的敏感性分析

姚新刚1，胡正凯1，邱乾勇2

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210006)

句容抽水蓄能电站输水系统沿线断层发育，断层的存在对地下渗流场影响很大.通过找出对地下厂房区渗流场影响最大的关键断层F113，从渗透系数和断层厚度两方面对其进行敏感性分析，从而得到该断层合理参数,并应用于地下厂房三维渗流场仿真计算.

句容抽水蓄能电站；断层F113；三维渗流场；敏感性分析

断层的存在对地下渗流场影响很大.王博等从断层倾向、走向、渗透性等方面探讨了断层对渗流场的影响[1]；刘善利等研究了断层(破碎带)对工程渗流场的影响[2-5]；卞康等表明水头等值线在断层附近存在突变[6].对于张性断层，一般表现为导水性质，而且导水能力很强[7].此类构造法向渗透系数很小，而切向渗透系数较周围地层大很多.句容抽蓄输水系统沿线断层发育，Ⅲ级以上结构面多达43条，岩溶中等发育.断层处由于常年有地下水通过，该处岩体可能会进一步发育成溶蚀裂隙，该断层将会有很强的导水性能.因此，对于某些关键断层有必要深入研究其对地下厂区渗流场的影响.本文首先对工程区主要断层进行试算，找出对地下厂区渗流场影响最大的关键断层，然后对其进行敏感性分析，最终确定关键断层的参数，应用于地下厂房三维渗流场仿真计算.

1 水文地质条件

句容抽水蓄能电站位于江苏省句容市境内，地下厂房、主变洞位于地下水位以下，厂房区岩体透水率以小于3Lu为主，透水性小，属弱～微透水性.平洞揭露的断层F30、f32、f34、f36穿过厂房.厂区外围断层发育，如f38、f33、F45、F44等，断层带均具溶蚀现象，红色粘土充填，暴雨季节f33、f29、f38断层带涌水量达240～700 L/min.因此厂房区内存在管道—溶孔-裂隙含水层，地下水活动受结构面、溶蚀裂隙控制，在施工及运行期间存在岩溶水的渗漏补给，估计涌水量较大.

断层F113位于引水竖井上游约120 m，距地下厂房上游侧约260 m，属于Ⅱ级张性结构面.产状N35°～40°W,NE∠80°～85°，宽度3.5 m，呈全～强风化状，岩脉内见不同方向的磨光面及擦痕，上盘面局部溶蚀强烈，形成溶蚀裂隙，宽为10～30 cm，后期方解石脉充填.输水系统地质纵剖面(见图1).

2 地下厂房防渗排水措施

利用地下厂房四周排水廊道及洞顶灌浆廊道，进行帷幕灌浆并布置排水孔，形成全封闭灌浆帷幕和全封闭排水孔幕，从而将地下厂房、主变洞与帷幕外地下水相对隔离.典型布置(见图2).

图2 地下厂房横剖面防渗排水布置

3 断层F113对地下厂房渗流场影响

通过建立整个工程区三维有限元模型(见图3)，对地下厂房区进行三维渗流场分析.对于地下厂房区域，除主要洞室和附属洞室外，还模拟了四层排水廊道、全封闭帷幕和全封闭排水孔幕.另外对于工程区主要断层进行了模拟，根据等效连续介质理论，将断层等效为一定宽度、渗透性为各向异性的连续介质体.姚新刚等对仿真模拟的具体计算模型、边界条件以及参数选取已作详述[8]，此处不再说明.

以上库正常蓄水位▽267.0 m，下库死水位▽65.0 m作为典型工况，进行地下厂房渗流场仿真模拟计算.厂区横剖面水头等值线图(见图4).

图3 句容抽水蓄能电站三维有限元网格侧视图

图4 厂区横剖面水头等值线图

由图4可知，由于厂区地下厂房洞和主变洞开挖，厂区附近岩体中的地下水向厂区开挖洞室汇水，受引水竖井前方断层F113的影响，自由面发生跌落(从▽61.0 m降至▽54.9 m，降幅为6.1 m).由此可见引水竖井前端的F113断层具有较强的导水性能，自由面通过F113断层后迅速降低，对厂区渗流场分布具有较大影响.因此F113断层参数的取值对地下厂区防渗排水措施渗控效果的评估影响较大，有必要对其进行敏感性分析.

4 断层渗透系数敏感性分析

针对F113断层,以上库正常蓄水位▽267.0 m，下库死水位▽65.0 m为前提，从渗透系数和断层厚度两个方面，设置多种不同工况进行敏感性分析.对于渗透系数，将其切向和法向的渗透系数比值分别设为1倍(各向同性)、10倍、100倍、1 000倍四种情况，各情况下厂区横剖面水头等值线图(见图5).由图5可以看出：

(1)不同渗透系数比值下整体水头等值线以及自由面分布规律基本类似.不同点在于，随着渗透系数比值的加大，水头等值线开始不断在F113断层处聚集.

(2)当断层F113的渗透系数比为1(各向同性)时，自由面在遇到断层直面前，随着渗透过程的逐步推进，呈均匀缓慢下降趋势.而遇到断层时，由于断层渗透系数比周围岩体大一个数量级，自由面经过断层几乎没有下降.

(3)当断层F113的渗透系数比为10 ∶1时，水头等值线分布规律与各向同性工况基本类似.只是在自由面遇到断层时，略微有所下降，水头损失不到5 m，平均水力坡降0.29非常小，阻水导渗效果不明显.

(4)当断层F113的渗透系数比为100 ∶1时，自由面在穿越断层时，水头损失明显，水力坡降1.94也在合理范围内，比较符合实际情况.

(5)当断层F113的渗透系数比为1 000 ∶1时，自由面在穿越断层时水头迅速跌落，水力坡降5.83大大超出允许值，阻水导渗效果“异常”明显，这也不符合天然实际情况.

综上所述，断层F113的渗透系数在切向与法向之比为100 ∶1时，无论是整体水头等值线分布情况还是断层的导水阻水性能均能够得到合理地反映，比较符合实际情况.因此，在句容抽蓄三维有限元渗流计算中，对于断层F113，取其切向与法向渗透系数之比为100 ∶1.

5 断层厚度敏感性分析

以上库正常蓄水位▽267.0 m，下库死水位▽65.0 m，对断层厚度分别取3.5 m、7.0 m和14.0 m三种情况进行敏感性分析.根据断层渗透系数敏感性分析，取断层F113切向与法向渗透系数之比为100 ∶1.不同断层厚度厂区横剖面水头等值线图(见图6).由图6可知：当断层切向和法向渗透性相差两个数量级时，自由面开始出现明显跌落.当宽度为3.5 m时自由面降幅为4.79 m，平均坡降为1.37；当宽度为7.0 m时自由面降幅为9.80 m，平均坡降为1.40；当宽度为14.0 m时自由面降幅为27.16 m，平均坡降为1.94.

图5 四种F113断层切向和法向的渗透系数比值时水头等值线图

由此可知,各向异性比为100 ∶1时，随着断层厚度的不断增加，阻水导水效果越来越明显，断层内平均渗透坡降也稳步增长(几乎快达到基岩的允许坡降值).尤其是宽度为14.0 m时穿越断层后自由面降幅多于27.16 m，这在实际工程中是有可能存在的.由于工程区现场断层厚度有一定变化范围.因此对厚度变化较大的断层应给予重视，防止周边岩体发生渗透破坏，进而危及厂区安全.

图6 三种断层厚度时水头等值线图

6 结 论

(1)地下厂区渗流场分析表明，F113断层具有较强的导水性，地下水自由面通过F113断层后迅速降低，对厂区渗流场分布具有较大影响，有必要对其进行敏感性分析.

(2)断层F113的渗透系数在切向与法向之比为100 ∶1时，无论是整体水头等值线分布还是断层的导水阻水性能均能够得到合理地反映，比较符合实际情况.在句容抽蓄三维有限元渗流计算中，对于断层F113，取其切向与法向渗透系数之比为100 ∶1.

(3)断层F113渗透系数比为100 ∶1时，随着断层厚度增加，阻水导水效果越来越明显，断层内平均渗透坡降逐步增长.断层F113导水效果越好，对地下厂区防渗排水更有利.但实际计算时为保守起见，应剔除断层厚度越大所带来的有利影响，即取断层F113厚度为3.5 m进行计算.

[1] 王 博,刘耀炜,孙小龙，等.断层对地下水渗流场特征影响的数值模拟[J].地震，2008,28(3):115-124.

[2] 刘善利,赵 坚,沈振中.拉西瓦水电站坝基软弱断层的渗流及防渗[J].水利水电科技进展,2007,27(4):55-59.

[3] 赵健仓,余志冲,陈新朝.燕山水库坝基顺河向断层带特征及渗透稳定性分析[J].水电能源科学,2009,27(6):45-49.

[4] 晏鄂川,唐辉明,杨裕云,等.陆浑水库坝基断层破碎带渗透稳定性评价[J].地球科学—中国地质大学学报,2001,26(1):88-92.

[5] 邹志悝.南湾水库坝基顺河断层带渗透稳定性研究[D].郑州:华北水利水电学院,2007.

[6] 卞 康,肖 明.高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌开裂渗漏研究[J].岩石力学与工程学报，2010,29(S2):3647-3654.

[7] 王 军.矿井断层的工程力学特性与水文地质特征研究[J].科技信息，2011(27):344,380.

[8] 姚新刚,胡正凯.地下厂房防渗排水方案的三维渗流仿真模拟设计[J].浙江水利水电学院学报,2016,28(3):41-45,59.

SensitivityAnalysisofCriticalFaultF113inJurongPumpedStoragePowerStation

YAO Xin-gang1, HU Zheng-kai1, QIU Qian-yong2

(1.Powerchina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, China; 2.NanjingWater Resources Planning and Design Institute Co., Ltd., Nanjing 210006, China)

The faults develop along the waterway system of Jurong Pumped Storage Power Station, which influence the underground seepage field greatly. The critical fault F113 with the greatest influence on seepage field of underground powerhouse area was found. And the sensitivity analysis was done in terms of permeability coefficient and fault width to get the reasonable parameters in analogue stimulating calculation of 3-D seepage field for underground powerhouse.

Jurong Pumped Storage Power Station; fault F113; 3-D seepage field; sensitivity analysis

2016-07-11

姚新刚(1984-)，男，江西吉安人，高级工程师，主要研究方向为水电站厂房动静力计算及结构设计.

TV731.6

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1008-536X(2016)12-0016-05