CCS水电站引水发电系统洞群防排水关键技术

2020-12-30邹红英吴昊杨晓箐

人民黄河 2020年12期

邹红英吴昊杨晓箐

摘要：厄瓜多尔CCS水电站引水发电系统轴线长达2 800 m，内外水头均超过600 m、地下水补给量大、陡倾破碎带发育、洞室布置密集且纵横交错，致使施工突涌水问题突出、防排水设计重难点多。基于FLAC3D地下系统各工况渗流场分析进行内水外渗的敏感性分析，将3DEC大洞室节理裂隙水压力与地应力耦合进行楔形体多因素失稳分析，并结合基于高压压水试验的高压渗透特性分析，充水试验后特征时间点安全监测数据规律分析，进行防排水关键技术研究及控制措施认证。在上游高内水头引水系统采用透水衬砌，结合土工膜、固结灌浆、帷幕灌浆，以及下游发电系统采用基于排水洞的排水孔幕、系统排水孔等永临结合措施下，目前电站运行良好，各监测数据无异常且已经长期收敛，证明了高内外水头引水发电系统防排水设计的合理性。

关键词：高内外水头;引水发电系统;防排水;FLAC3D;3DEC;高压渗透特性;安全监测

中图分类号：TV554 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.022

Abstract：The CCS Hydropower Station in Ecuador is characterized by the axis of the diversion to power generation system up to 2 800 m long， the internal and external heads more than 600 m， the large groundwater recharge， the developed steeply dipping broken zone and the densely caves crisscrossly arranged， all of these result in gushing water problems during construction and many key and difficult points in waterproofdrainage design. According to the sensitivity analysis of internal water leakage based on seepage fields analysis over various conditions by FLAC3D， multifactor instability analysis for wedges considering joints and fractures water pressure coupling of insitu stress by 3DEC， combining with the highpressure permeability characteristics analysis based on high water pressure tests results， features analysis of the safety monitoring data at the characteristic times after the waterfilling test until recently， the research on key technologies for waterproofdrainage and also certification for control measures were finally put forward. Using waterpermeable lining， combining with geomembrane， consolidation grouting， curtain grouting for the upstream highhead water diversion system， drainage hole curtain based on drainage gallery and system drainage holes for the downstream power generation system and so on， after all these permanent and temporary combination measures， the power station currently is running well， the safety monitoring data are not anomaly and have been converged for a long time， which certifies the rationality of the waterproofdrainage design for diversion to power generation system under the high internal and external water condition.

Key words： high internal and external water heads; diversion to power generation system; waterproofdrainage; FLAC3D; 3DEC; high pressure permeability characteristics; safety monitoring

隨着地下空间大规模的开发与利用，隧洞在交通、矿产、石油、水利等诸多行业中得到广泛运用[1]。水利行业中影响隧洞施工和运行安全的核心问题是洞外地下水内渗和洞内水外渗。地下水对隧洞工程的影响主要表现为隧洞开挖过程中的涌水问题和运行时衬砌的外水压力问题，特别是在高埋深岩体中，隧洞开挖后，地下水水力劈裂作用使得原有岩体断续裂隙发生扩展、贯通、张开，裂隙的连通性增强、张开度增大和岩体透水性变强，高外水压力加快洞周裂隙上充填物的变形和位移，导致裂隙再扩展，恶化施工中的涌水问题。

高水头电站及抽水蓄能电站越来越多，设计水头越来越高，地质条件越来越复杂，高压渗透稳定问题越来越突出。地下系统地质条件存在不确定性和不可预知性，若裂隙岩体透水性极强或存在渗漏通道或洞内高水头压力作用下裂隙岩体发生水力劈裂并与外围渗透通道连通，会引发大量渗漏。隧洞渗漏极大影响经济效益和破坏生态环境，还会直接导致岩土体抗剪指标降低、软化，引起隧洞和边坡失稳等工程灾害事故[2]。

Coca Codo Sinclair（简称CCS）水电站工程被称为厄瓜多尔的“三峡”，按照欧美标准设计。作为“一带一路”重点建设项目，CCS水电站项目因实施风险高、技术难题多、组织难度大而极具挑战性[3]。本文对厄瓜多尔CCS水电站高内外水头引水发电系统洞群防排水关键技术进行了分析和摸索。

1 工程概况

CCS水电站为引水式电站，位于南美洲厄瓜多尔共和国南部Napo省与Sucumbios省交界处，距首都基多约130 km。CCS水电站工程由首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道、地下厂房等组成，安装8台冲击式水轮机组，总装机1 500 MW，年发电量达88亿kW·h，为该国规模最大的水力发电基地、世界上目前规模最大的冲击式水轮机组水电站。CCS水电站在首部枢纽壅高水位，设沉沙池沉沙引水，通过隧洞输水至调蓄水库进行日调节，再由2条压力管道为安装在地下厂房的冲击式水轮机组供水[4]。

引水系统压力管道“一洞四机”，立面布置上、下平洞，中间通过竖井连接。发电系统地下厂房洞室布置密集，规模宏大，主要包括厂房、主变洞、母线洞、进厂交通洞、尾水洞、高压电缆洞、排水洞、疏散通风洞、施工支洞等，引水发电系统地下洞群三维展示见图1。从压力管道进口到厂房尾水出口，整个地下系统轴线长达2 800 m。压力管道单洞设计流量139.2 m3/s，设计最大静水压力6.18 MPa，最大水击压力6.83 MPa，属于高压隧洞范围。

2013年7月发电系统地下洞群开挖基本完成，2015年11月进行1#压力管道充水试验，2016年4月首批4台机组发电并网，2016年9月进行2#压力管道充水试验，2016年11月最后4台机组发电并网。

2 地质条件

2.1 水文地质概况

引水发电系统所在区域属热带雨林气候区，降雨量较大，大部分洞段位于地下水位以下，地质条件复杂，揭露的水文地质单元多，水流补给量充足，地下水问题显得尤为重要。引水发电系统地下水类型主要为基岩裂隙水，其储存、径流于节理密集带、断层破碎带与向斜构造之中。当隧道通过裂隙岩体的含水区段时，因人为破坏了原有地下水的渗流条件，故隧道洞身成为地下水以不同形式（渗出、滴流、股流及大范围突水等）向外排泄的地下廊道，造成涌水灾害。竖井下平段地下水水压较高，水头达520 m，岩体有发生水力劈裂的可能。地下厂房洞室分布高程为600～660 m，岩体相对完整，大多为弱-微透水，局部裂隙密集带和断层破碎带为中等-弱透水。

2.2 工程地质概况

压力管道洞线上有3个深度300～500 m的钻孔，厂房区域有不少平洞和深度50～200 m的钻孔。经过地质资料分析，引水发电洞上平段穿越的地层主要是Napo地层和Hollin地层的砂岩、页岩、灰岩;竖井段高程1 119 m以上为Hollin地层的砂岩页岩、灰岩和泥灰岩，以下为Misahualli地层的火山角砾岩、火山凝灰岩;下平段、地下厂房及尾水洞穿越的地层为Misahualli的凝灰岩。Hollin地层岩性较软，底部可能形成含水层，在大陡倾节理或断层的组合作用下极可能成为集中渗水通道;同时下平段有2条影响较大的破碎带，也是集中渗水通道。施工过程中在加强地质预报的同时，应及时采取防范措施。

地下厂房区的主要岩性为灰色、灰绿色和紫色Misahualli地层的火山凝灰岩，上覆白垩系下统Hollin地层（Kh）页岩、砂岩互层，表层覆盖厚度为3～30 m的崩积物和河流冲积物（Q4）。地下厂房区属于Sinclair构造带，构造相对简单，在厂房区开挖过程中没有发现规模较大的断层。但受构造影响，厂房区发育多条小规模断层（近70条），断层最大宽度普遍小于50 cm，极少数达到2 m;断层充填物质普遍以角砾岩、岩屑夹泥为主，断层带组成物质较好;断层带延伸较短，以几十米为主。通过对断层节理产状统计可知：断层走向以230°～260°为主，倾角以60°～80°为主，整体与主厂房和主变室呈正交状。断层、节理在主厂房、主变室拱肩及下游边墙形成密集的楔形体，地下水弱化岩体及结构面参数，极大威胁着厂房洞室群的施工和运行安全[5]，建议布设排水廊道。

2.3 围岩物理力学特性

CCS水电站引水发电系统岩（石）体力学参数及渗透系数取值见表1。

3 洞群防排水关键技术

3.1 存在的主要问题

厄瓜多尔CCS水电站引水发电系统地下轴线长、内外水头高、洞室跨度大、洞室三向间距短、穿越地质条件复杂，这些不利因素加剧了施工期突涌水问题、洞群三向薄岩壁问题，洞群防排水问题成为制约整个工程工期的关键因素。洞群防排水主要存在以下技術问题：

（1）设计理念问题。根据合同，在整个设计过程中，材料、工程设计理念必须满足欧美规范，墨西哥监理和当地岩土工程师要求隧洞开挖支护设计满足Hoek和Barton理念、美国陆军工程师团《岩石隧洞和竖井工程》手册（EM1110-2-2901），结构设计采用《水工钢筋混凝土结构强度设计》（EM 1110-2-2104）和美国《结构混凝土建筑规范要求》（ACI318-8）。

（2）施工期渗流问题。整个地下系统轴线长达2 800 m，穿过地层断层，节理发育较为丰富，厂区地下水位较高，陡倾角断层和裂隙带不良地质体的岩层渗透特性未知，施工期突涌水的预报难度较大，经济有效、永久与临时结合的最佳防排水措施需要研究。

（3）高地下水压力的围岩稳定问题。节理①②③组合在主厂房、主变室下游边墙形成密集的楔形体[5]，极大威胁着洞室的施工和运行安全。基于块体理论的Unwedge未模拟开挖及不同位置的地应力及高地下水压力外部条件。洞室周围岩体不同产状节理裂隙上水压力释放与地应力耦合后对大洞室顶拱、边墙、端墙的不利影响需要研究。

（4）高压裂隙渗透问题。管道下平段钢筋混凝土衬砌为限裂设计，高水头压力作用下岩体是否发生水力劈裂，高压裂隙渗透特性需要进一步分析研究。

（5）防排水设计问题。引水发电系统中存在透水性极强的裂隙岩体、断层软弱带等渗漏通道，一旦内水外渗，放空期外水压力工况下管道钢衬承受极大外压，管道下平段钢衬起点、上部不增设降压设施时钢衬结构安全问题需研究分析;厂房系统详细设计阶段維持概念设计、基本设计阶段的常规上下两层排水廊道的防排水措施是否足够也需要研究分析;引水发电系统区域渗流场发生大的波动，施工期、运行期对洞室群支护、结构安全的影响需要重新评估分析。

3.2 洞群防排水分析

3.2.1 三维渗流场分析

FLAC3D可以模拟流体通过具有渗流性的实体如岩土体中的流动，在岩土领域三维渗流场分析中运用广泛[6-7]。该工程区域内部存在较大的断层和破碎带，对区域渗流场及引水隧洞局部区域的正常运行可能有较大影响。采用FLAC3D进行渗流数值模拟主要对压力管道下平段2条较大的破碎带加以考虑，对施工完建期、运行期、检修期的地下水渗流场进行分析。FLAC3D渗流场分析模型见图2。

（1）分析表明：施工完建期受高地下水位影响，固结灌浆圈外渗透压力最大;运行期受高内水压力影响，固结灌浆圈内渗透压力最大;检修放空期固结灌浆圈内外表面压差最大，压力水头达到300 m，水力坡降相对于其他断面突然增大。运行期无钢衬段衬砌开裂，下平段围岩承担内水压力的92%，局部洞段达到99%。检修期，2条压力管道之间相互影响较小。衬砌内外表面水力坡降受放空速度的影响十分显著，靠近竖井段底部是受放空速度影响的敏感区域，在设计和实际检修放空过程中需要特别注意。在满足上覆岩石厚度和初始地应力基本要求下，综合工期、防渗、经济等因素，钢衬起点为下平洞末端约400 m处。

（2）2个竖井原设计布置在同一桩号，采用反井钻施工[8]，1号竖井按原设计施工顺利，2号竖井多次卡钻废弃移位，并发生一次大涌水塌方，塌方方量约4 100 m3，塌方空腔高度达50 m，宽度约20 m。塌方部位有2条大断层穿过，流纹岩带及其接触带部位局部裂隙较发育，形成了陡倾岩体破碎带，并与地下水连通构成了地下水强径流通道。在高水头地下水的作用下，隧洞相当于排水洞，井壁及其附近破碎岩体坍塌产生大量涌水。后期废井塌腔已用砂石、高流态混凝土自由下落回填。竖井移位后，三维渗流场有所变化，但规律与之前基本一致。各工况下结构满足规范要求，考虑工程安全问题，在压力钢管上部30 m处增设排水洞[9]。

3.2.2 节理裂隙水压力与地应力耦合分析

对于结构面控制型部位采用不连续力学方法进行分析研究是非常必要的，三维离散元软件3DEC在解决结构面控制型问题方面优势明显[10-11]。3DEC仅考虑节理裂隙的导水性而非岩体的透水性，能较好地描述节理裂隙岩体渗流的非均质、非连续及各向异性特性，有效模拟节理裂隙地下水的作用。主厂房断层及三组主要节理作用下3DEC裂隙网络模型见图3。

（1）洞室开挖形成临空面后，相当于形成一个大的泄水通道，洞室周围节理裂隙结构面上水压力会迅速释放。节理裂隙面水压力与地应力耦合后，明显加大了潜在不稳定岩体分布范围和程度，表现为楔形体的数量增多、楔形体的变形加大。

（2）不稳定块体的分布范围和程度主要影响因素为：地下系统的地应力状态，结构面的走向、倾向、倾角、分布密度，结构面刚度、黏结力、摩擦角等物理力学参数，排水条件影响下的结构面水压力数量级。分析表明，节理组合作用下，节理裂隙①②水压力释放对CCS水电站主厂房洞周围岩稳定影响最大（见图4）;围岩变形分布状态揭示水压力高于0.2 MPa时洞周围岩不稳定块体数量大幅增加、不稳定深度快速延伸。从保证围岩支护安全的角度分析，地下厂房洞群系统排水系统需要将水压力控制在0.2 MPa以下，同时应密切关注现场渗压计监测数据。

（3）压力管道内水外渗，厂房洞室原不富水的节理裂隙结构面可能张开扩展，内部充满水，岩体软化使得岩体物理力学参数弱化，水压力与地应力耦合后岩体向洞内变形的幅度加大。应结合监测资料加强运行期围岩稳定动态反馈分析。

3.2.3 岩体高压渗透特性

施工过程中，在压力管道上、下平段进行了围岩水力劈裂试验和水力阶撑试验。高压劈裂时岩体透水性大多表现为冲蚀型或扩张型。1#压力管道下平段围岩的劈裂压力约为7 MPa，2#压力管道下平段围岩的劈裂压力为9～10 MPa，2#压力管道围岩的劈裂压力高于1#压力管道的。1#压力管道下平段围岩在6.5 MPa的水压力作用下几乎不透水;2#压力管道下平段围岩在9.0 MPa的水压力作用下几乎不透水。隧洞长期运行的内水压力低于围岩产生透水情况的边界条件。压力管道内水外渗对良好围岩部位诱发裂隙张开的可能性不大，对围岩的渗透影响不大，对诱发断层软弱带部位裂隙继续张开的可能性不大。因此，压力管道周边围岩抗冲蚀性和渗透稳定耐久性较优。

3.3 安全监测反馈分析

结合CCS水电站施工及运行阶段各监测仪器的布置规律，为研判引水发电系统内外高水头的影响，考虑1#压力管道充水前、1#压力管道充水完成后、首批4台机组发电、2#压力管道充水前、2#压力管道充水完成后、最后4台机组发电、2019年年底7个时间点为监测资料分析的特征时间点。

（1）压力管道围岩稳定监测分析（下平段监测断面见图5）。1#压力管道下平段桩号0+800.00承压水头在1#压力管道充水过程中有较大的增长;2#压力管道下平段桩号0+824.41承压水头在2#压力管道充水过程中有较大的增长。内水头在130 m以下时，渗压计读数基本不变，混凝土衬砌没有开裂，处于基本不透水状态。之后渗压计读数随水位上升而加大，水头达到270 m以上后，渗压计计数与压力管道中的水位基本平行上升，衬砌内外水压力的差值不再缩小，衬砌已经开裂，处于透水状态。稳定后，内外水头差为36.8 m，衬砌分担了总压力的6%，围岩分担了94%，与渗流计算基本吻合。压力管道充水过程中，洞内水往混凝土衬砌段洞外岩体渗漏，最大水头时总渗漏量在20 L/s以内，远小于计算得出的72 L/s[12]。压力管道混凝土段充水运行后各特征时间点监测数据维持稳定;压力管道钢衬段1+175.00断面7个特征时间点监测水头维持稳定，水头在60 m左右，受非钢衬段内水外渗影响较小。压力管道下平段测缝计开度在4.5 mm以内，位移在5.5 mm以内，锚杆应力在50 kN以内，开度、位移及锚杆应力在7个特征时间点变化微小。1#、2#压力管道不存在相互影响，压力管道各监测断面监测数据已经收敛并长期稳定。

（2）发电系统围岩稳定监测分析。发电系统洞室群开挖于2013年7月基本结束，整个开挖过程中，各监测仪器数据规律良好。多点位移计孔口累计位移基本在20 mm以内，围岩变形属于浅部位移，变形曲线多次呈台阶式跳跃发展，与开挖爆破密切相关;锚杆应力计数值基本在150 kN以内;测缝计开度在1 mm以内;渗压计换算水头均在5 m内，楔形体受外水压力影响可控。截至2014年3月，发电系统岩体各监测断面多点位移计、锚杆应力计、测缝计、渗压计等数据已经收敛并长期稳定。发电系统监测数据在7个特征时间点变化微小，发电系统监测数据与引水系统高内外水头运行短期和长期效应均没有明显的关联，也没有发现异常情况。

（3）引水发电系统渗漏量监测分析。基于厂区水文地质、工程地质条件，防渗排水系统设计遵循“堵排结合、以排为主、完全自流”的设计原则。整个引水发电系统排水设计主要措施有：①整个发电系统厂房上游、左右侧布置“”形上下两层排水洞，洞内上下打排水孔，呈“”形排水孔幕，有效拦截地下水，防护厂房洞群顶拱和底板。排水洞汇水最终通过尾水洞、高压电缆洞排至洞外。②压力管道钢衬段中部上方30 m新增排水洞与厂房上层排水洞连接，降低钢衬段的外水压力。③主厂房及附属洞室洞周布设系统排水孔，通过PVC管排至附近排水沟，最终通过交通洞排至洞外。引水发电系统围岩渗水排水路径见图6。④在厂房的上下两层排水洞布设4套量水堰，其中2套布置在上层排水洞两端、2套布置在下层排水洞两端。3个量水堰历史最大监测流量在10 L/s以内，1个量水堰历史最大监测流量为12 L/s左右，上下两层排水洞总渗流量长期稳定在20 L/s以内，小于预估值（35 L/s）。4个监测点在7个特征时间点监测数值变化较小，与引水系统高内外水头运行短期和长期效应均没有明显关联。

4 结语

CCS水电站引水发电系统轴线长、内外水头高、洞室纵横交错、地质条件复杂、施工难度大。从数值模拟、试验检测等多角度出发，进行CCS水电站引水发电系统高内外水头下防排水关键技术及控制措施研究，主要结论如下：

（1）引水发电系统断层节理裂隙密集、倾角较陡、地下水补给充足，破碎带连通处为强径流通道，高地下水加剧了开挖时的突涌水问题，需加强施工期大地电磁法和瞬态面波法等新技术手段的超前地质预报工作。

（2）600 m以上的高内水头压力管道采用透水衬砌，结合整体固结灌浆、局部帷幕灌浆、竖井段增设土工膜等永久和临时结合的防排水设计措施和施工措施，外水控制工况和内水控制工况均可以达到引水系统漏水量较小、结构安全、投资较优的目的。

（3）厂房采用上下两层排水洞形成三边“”形排水孔幕，有效降低了大跨度、三向薄岩壁洞室外水压力;发电系统洞室周围岩体不同产状节理裂隙水压力释放与地应力耦合后对大洞室顶拱、边墙、端墙的不利影响可控;压力管道内水外渗对区域渗流场波动影响有限，对下游发电系统岩体总渗漏量影响较小、对岩体参数弱化带来的围岩稳定和结构安全影响可以忽略。

CCS水电站工程全部按照欧美标准设计，机组发电运行已经4 a多，洞室群监测资料全面而珍贵，有必要进行系统的围岩参数反分析，并与试验参数进行对比，从而对引水发电系统的长期稳定进行预测评估。

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