某抽水蓄能电站裂隙岩体中洞室外水压力的计算结果分析

王致远 周杰 吴艳 朱文武 刘明

摘 要：渗流与应力耦合分析法主要考虑地下水对围岩和衬砌的共同作用，从渗流理论出发计算水对围岩和衬砌的作用，可以直接通过分析隧洞开挖引起的地应力和地下水渗透力对围岩和衬砌的耦合作用。这种方法将围岩和衬砌当作一个整体来共同承担外水压力，但是高压水条件下，围岩和衬砌间可能出现缝隙，此时外水压力主要作用在衬砌上，而不是围岩和衬砌共同承担。

关键词：某抽水蓄能电站裂隙岩体；外水压力；计算结果分析

中图分类号：TV139.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0099-02

1 研究区概况

1.1 研究区位置

某抽水蓄能电站位于广东省惠州市博罗县，距广州市112km，距惠州市20km，距深圳77km，总装机容量2400MW。上、下水库主坝为碾压混凝土重力坝，厂房系统采用中偏尾部的A、B两个厂房分区布置，65°斜向进水，两个厂房最小间距150m。输水发电隧洞除引水高压支管、尾水支管采用钢板衬砌外，引水隧洞、高压隧洞、高压岔管和尾水隧洞等均采用钢筋混凝土衬砌。

1.2 地质概况

厂房区分布地层岩性有：燕山四期（γ53（1））中细粒、中粗粒花岗岩；加里东期至燕山期的混合岩（Mγ3）；后期侵入的闪长玢岩脉、花岗闪长岩脉、煌斑岩脉；以及沿断层带侵入的石英、萤石、方解石脉等。

厂房区探洞揭露断层共有67条，以NE、NW、NNW三组为主。根据厂房探洞节理裂隙统计结果，厂房区节理裂隙发育方向与断层基本一致，主要有NNE和NW2组组。（1）NNE组：主要在东西向或近东西向的探洞PD01-1、PD01-2、PD01-3、PD01-6中揭露，裂隙产状N5-20°E，绝大部分倾向SE，少量倾NW，倾角多在60-80°；（2）NW组：主要在探洞PD01、PD01-2、PD01-3、PD01-4、PD01-6中揭露，裂隙产状N35-60°W，绝大部分倾向NE，少量倾SW，倾角多在60-85°。

1.3 水文地质条件

1.3.1 岩体的透水性

通过对地下厂房区23个钻孔共392段压水试验资料进行统计分析，表明：地下厂房区混合岩和花岗岩的透水性主要以微透水为主，部分为弱透水，少部分为中等透水。其中微透水岩体占69.9%，弱透水岩体占28.5%，中等透水岩体约1.6%。因此厂房区不存在强透水岩体，这些钻孔的透水率在接近地表时较大，但随着埋深的增加和高程的降低，透水率逐渐降低，个别试段的透水率有增大的现象，这与钻孔揭露的断层带和岩脉有关，钻孔ZK2002和ZK2085岩体的透水率随埋深是变化的。

以上分析表明岩体的透水性分为三类：（1）强透水带：主要包括电站区的全、强风化带岩体、f304断层破碎带、NE向导水断层和NW向与f304断层切割的断层；（2）弱透水带：弱风化带岩体；（3）微透水带：微风化带和新鲜岩体、胶结好的岩脉。

1.3.2 地下水的补径排关系

地下厂房处的补给来源主要有大气降雨补给和上库通过f304断层补给。上库库水以渗水的形式流入到f304断层，f304断层距离地下厂房较近，通过NW向断层流向地下厂房，因此，f304断层有可能是上库库水流向厂房的主要途径。通过对电站区岩体的透水性、岩体水文地质结构和水文地质条件分析，可以将电站区以f30冲沟为界分为两个水文地质单元。天然条件下，上水库的主要补给源为大气降水，通过库水渗漏向f30冲沟和厂房、下水库排泄；厂房和下水库补给源主要为大气降水，一部分水流向f30冲沟、地表浅处和地下深处排泄。

2 结果分析

2.1 水文地质参数的确定

研究区进行了大量的压水试验，可以通过压水试验结果来计算渗透系数，即：

（1）

式中，K为裂隙岩体的渗透系数（cm/s）；为单位吸水率（）；L为试段长度（m）；r0为钻孔半径（m）。

根据坝区岩体结构面发育特征和岩性特点，将岩体在垂直方向上分为三个区，自上而下为强风化带、弱风化带和微风化带。根据各区统计得到的单位吸水率大小和试坑试验结果，利用式（10）可以计算各区的渗透系数，取试段长度L为6m，孔半径r0为0.0375m，计算得到各区的渗透系数。电站区发育的断层主要有NW和NE两组。因此，这两组断层是电站区主要的控水结构面，在建立三维裂隙网络时，主要考虑这两组断层。对其产状（走向、倾向和倾角）、间距和破碎带宽等几何参数作了数理统计，并根据统计结果确定出这些参数的概率分布形式，为Monte-Carlo模拟奠定了基础。利用裂隙几何参数的均值、方差和所满足的分布规律，随机产生电站区内的裂隙面，这些裂隙面相互交叉并沟通到边界形成三维裂隙网络。

2.2 外水压力计算及预测

2.2.1 水道系统充水后内水外渗量大小变化

水库正常运行期，当水道系统充水后，在水道内外水头差作用下，水道内的水会通过钢筋混凝土衬砌向外发生渗漏，即内水外渗。其内渗量的大小与水道所处的位置有关，也与时间有关，考虑水庫正常运行，上水库蓄水位762m，下水库蓄水位205m，A和B厂房水道系统充水，A、 B厂房上、中和下层廊道排水，高压岔支管设置防渗帷幕，探硐246高程设置排水廊道。在水道沿线取几个特征点来了解内水外渗量的变化规律。其中A厂水道系统从引水隧洞到高压隧洞取了四个特征点：A1、A2、A3和A4，分别位于上平洞、中斜井、下斜井和下平洞，高程分别为590m、458m、146m和135m；B厂水道系统从引水隧洞到高压隧洞取了三个特征点：B1、B2和B3，分别位于上平洞、中斜井、下平洞，高程分别为590m、458m和135m。

水道系统内水外渗量随时间的变化关系：0时刻的流量表示初始时刻的外渗量，即通过水道内的水位762m和水道附近的天然水位计算得到的，当水道系统充水一天后，由于内水外渗，地下水位会升高，相应的外渗量会降低，但从图中可以看出，外渗量比天然条件下反而升高了，这主要是考虑了高岔、支管和厂房的排水，使得即使水道系统存在内水外渗，其水位的升高值仍然低于天然水位。随着水道系统充水时间的增加，沿水道系统附近的水位也逐渐升高，水道系统内外水头差减小，外渗量也随之减小，个别地方甚至减小到0。

可以看出，在水道系统的不同位置，内水外渗量的大小也不相同。在上平洞、中斜井等处，地下水位较高，水道系统充水后，其内外水头差较小，故内水外渗量变幅小；在下斜井和下平洞等处，由于远离上水库，地下水位较低，水道系统充水后，其内外水头差较大，故内水外渗量变幅大。

2.2.2 内水外渗对钢支管外水压力的影响

内水外渗不但增加了厂房和高压岔、支管排水量，而且也增加了钢支管的外水压力。外水压力的形成主要是水道系统放空后，钢支管的内水压力突然降为0，水道系统充水后的压力水头直接作用在钢支管外表面，如果压力水头超过钢支管容许承受的压力，钢支管就会发生破坏，因此，通常应用防渗和排水来降低钢支管的外水压力。在高岔帷幕后深排水孔前近似垂直于钢支管取一剖面，计算外水压力的大小，单位为MPa。

由于高压岔、支管的防渗和排水作用，钢支管处的外水压力几乎降为0，其表面处的最大外水压力为1.2MPa，低于设计值1.8MPa，合乎设计要求。当钢筋混凝土衬砌开裂后外水压力可以达到1.6MPa，大于设计值，钢支管可能受到破坏，表明保证钢筋混凝土衬砌正常运行是相当重要的。另外，由于246m高程的排水廊道排水，使得这些部位的外水压力几乎降为0，同时也降低了246m高程以上的外水压力。

2.2.3 水道系统放空条件下外水压力变化

水道系统放空时，水道内的水位大约以20m/h的速度逐渐下降，由于混凝土衬砌的阻水作用，水道系统外的水位下降较慢，水道系统内、外压力差形成水道的外水压力。水道系统内的水大约在38小时后放空，图7和图8显示了水道系统放空时A、B厂引水系统外水压力随时间的变化，其中图7是在混凝土衬砌开裂条件下外水压力的变化，图11中混凝土衬砌正常。可以看出，A1和B1处外水压力分别为0.63～1.40MPa和0.51～1.28MPa，不论是最大值还是变化幅度都较小，由于这些地方的高程为590m，因此其外水压力很小，不会对水道系统产生破坏作用。对于A4和B3，靠近钢支管附近，高程为135m，外水压力较大，随着水道系统的放空，外水压力也逐渐降低。由于水道系统的围岩抗拉和抗压强度较大，特别是较完整的花岗岩，最小可以打到7MPa以上，因此水道系统放空所产生的外水压力一般不会对水道系统产生破坏作用。由于混凝土衬砌的阻水作用，使得水道系统外水位上升不大，当水道系统放空时，不会形成太大的外水压力。从图中可以看出，最大外水压力一般不超过2.7MPa。

2.2.4 一厂运行，一厂放空时外水压力的变化

A厂水道系统充水运行，B厂水道系统放空。此时A厂水道系统内水外渗，B厂水道系统由于放空受到外水压力的作用，计算得知B厂引水隧洞的外水压力值介于0.3～1.34MPa，B厂高压隧洞的外水压力值介于0.8～1.63MPa。从平洞和厂房开挖揭露的资料看，B厂水道系统沿线岩体比较完整，有的地方甚至不用钢筋混凝土衬砌，表明围岩的稳定性较好，加之该区地层岩性主要为花岗岩，抗压和抗拉强度较高，因此B厂水道系统放空时所受的外水压力不会使水道系统发生破坏。当B厂水道系统放空后，水道会受到一定的外水压力作用，与A厂内水外渗相反，此时B厂水道发生外水内渗。

A厂水道系统充水放空，B厂水道系统运行。同前面一样，主要是从A厂水道系统受到的外水压力和外水内渗量的大小来分析。计算得知A厂引水隧洞的外水压力值介于0.31～ 1.34MPa，A厂高压隧洞的外水压力值介于0.91～2.17MPa。虽然A厂高压隧洞的外水压力较高，但也远远低于水道系统围岩的抗压强度，因此A厂水道系统放空时所受的外水压力不会使水道系統发生破坏。

3 结语

在水库正常运行期间，厂房和高压岔、支管防渗、排水系统正常时，输水管线的外水压力为0.2～2.12MPa，低于围岩和钢筋混凝土的抗压强度。厂房和钢、支管的外水压力为1.4～1.72MPa，其中钢、支管的最大外水压力为1.72MPa，小于钢、支管设计的外水压力1.80MPa，在水道系统放空时，不会对钢、支管造成破坏。当钢筋混凝土衬砌开裂时，外水压力增幅达到18.4%～121.2%，其中钢、支管的外水压力都超过2.0MPa，大于钢、支管设计时所承受的外水压力，有可能对钢、支管造成破坏。

一厂运行，一厂放空所计算的外水压力比两厂同时运行计算的外水压力略低，放空的水道所受的外水压力低于水道系统本身的强度，因此被放空的水道不会受到外压破坏。