抽水蓄能电站输水发电系统衬砌型式研究

黄银伟 , 刘志青 ,张利沙

(1.浙江华东岩土勘察设计研究院有限公司,浙江 杭州 310030;2.浙江水利水电学院 测绘与市政工程学院,浙江 杭州 310018)

金寨抽水蓄能电站位于安徽省境内,电站枢纽由上水库及上水库的坝址区、输水系统、地下厂房,下水库及下水库的坝址区、地面开关站等主要建筑物组成,电站装机容量为4×300 MW。输水系统布置于上下水库之间山体内,总长约2 926.2 m,引水及尾水系统采用两洞四机布置。上水库进/出水口采用侧向闸门竖井式布置;引水系统平面呈直线布置,立面采用一级竖井布置,全长约2 407.7 m,上平洞末端设置引水调压室;尾水系统平面按直线布置,立面采用一级斜井的布置型式,全长约518.5 m;下水库进/出水口采用侧向闸门竖井式布置。

1 工程地质条件

输水系统沿线山体雄厚,洞室围岩主要为文家岭组上段(Ar2W2)黑云钾长片麻岩、二长片麻岩。沿线断层不发育,穿越输水系统的断层规模大多较小,主要有f301—f307等,均为Ⅲ—Ⅳ级结构面。节理轻度发育,以N25°—40°E,NW∠65°～75°为主。围岩以Ⅲ类、Ⅱ类为主,局部为Ⅳ类,断层破碎带为Ⅳ—Ⅴ类,局部需加强支护处理。沿线洞室多位于地下水位以下,在断层通过或节理发育洞段可能出现短时的涌水现象,需采取抽排水措施。

2 输水系统衬砌型式分析及评价

抽水蓄能电站高压隧洞的衬砌型式主要有钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌两种型式,根据已有工程的成功经验,若不衬砌或采用经济性好、施工方便的钢筋混凝土衬砌,并使隧洞围岩成为一个安全承载结构,则隧洞周围必须要有足够的岩层覆盖厚度和足够的地应力量值,以确保隧洞围岩有安全承受隧洞内水压力的能力,此外,围岩还不能承受过大的渗漏和渗透破坏情况。经归纳总结为3个常用的不衬砌或混凝土衬砌隧洞围岩承载设计准则,即岩体最小覆盖厚度、最小主应力准则和围岩渗透准则[2-3]。

2.1 岩体最小覆盖厚度

岩体覆盖厚度是影响输水隧洞安全的一个主要因素,输水系统除上、下水库进/出水口处围岩覆盖厚度稍薄外,一般洞段的覆盖厚度为42～455 m。上水库正常蓄水位为579 m,下水库正常蓄水位为210 m,机组安装高程为120 m,最大静内水头为459 m(压力约4.5 MPa)。

最小覆盖厚度准则的原理是根据经验[4],要求不衬砌输水隧洞最小上覆岩体重量不小于输水隧洞的内水压力,再考虑1.3～1.5倍的安全系数,保证围岩在最大内水压力作用下,不发生上抬。根据《水工隧洞设计规范》(NB/T 10391—2020),有压隧洞洞身部位岩体最小覆盖厚度按下式进行计算判断,即

(1)

式(1)中:CRM为岩体最小覆盖厚度(不包括全、强风化层厚度),m;hs为洞内静水压力水头,m;γw为水的重度,取值9.8 kN/m3;γR为岩体的重度,取27.2 kN/m3;F为经验系数,取1.5;α为河谷岸边边坡倾角,当α大于60°时,取60°。

输水系统各构筑物部位岩体最小覆盖厚度计算成果详见表1。

1.5统计学方法:采用统计学软件SPSS19.0进行数据处理和分析。计数资料采用(±s)表示,计量资料采用百分比表示,组间比较采用t检验,P<0.05表示差异具有统计学意义。

表1 引水系统各构筑物上覆岩体最小覆盖/厚度计算成果表(沿4#机)

根据表1计算成果,输水系统各洞段岩体覆盖厚度L大于计算的最小覆盖厚度CRM,表明各洞段均满足最小覆厚度要求。

2.2 最小主应力准则

最小主应力准则要求不衬砌有压隧洞沿线任一点的围岩最小主应力应大于该点洞内静水压力,并保持1.2～1.5倍的安全系数,以防止发生围岩水力受到劈裂破坏。经三维地应力反演分析得到最小主应力等值线图(图1)。工程取安全系数F1>1.5时,为满足最小主应力准则;1.2≤F1≤1.5时,为基本满足;F1<1.2时,为不满足。回归分析成果反映引水上平洞的最小主应力σ3为1.5～4.0 MPa,安全系数为3.33～5.52,满足最小应力准则要求;引水竖井的最小主应力σ3为1.8～5.6 MPa,安全系数为1.89～1.22。根据推算,引水竖井高程330 m以上的最小应力满足要求,高程330 m以下的基本满足要求,但安全余度不足;引水下平洞及岔管的最小主应力σ3为5.6～5.8 MPa,安全系数为1.24～1.30,基本满足最小应力准则要求,但安全余度不足。引水系统各构筑物最小主应力及对应的最大静水压力统计情况见表2。最小主应力与最大静水压力随深度分布曲线见图2。

图1 输水发电系统4#机剖面最小主应力等值线图

图2 最小主应力与最大静水压力关系曲线

表2 引水系统各构筑物最小主应力与最大静水压力统计表(沿4#机)

根据最小水平主应力与最大静水压力进行实测及对比分析,可知引水竖井的最小水平主应力为2.26～10.57 MPa,安全系数为1.12～6.24。根据分析,引水竖井高程263 m以上的最小水平主应力满足要求;高程为263～227 m时的基本满足要求,但安全余度不足;高程227 m以下部分段安全系数小于1.20,不满足要求。最小水平主应力与最大静水压力随深度分布曲线见图3。

图3 最小水平主应力与最大静水压力关系曲线

2.3 渗透准则

天然岩体内存在大量的节理裂隙,而裂隙中往往有夹泥(膜)或碎屑物填充,当输水隧洞衬砌开裂时,在一定压力渗透水流的长期作用下,岩体有可能出现渗透变形破坏。因此,渗透准则可以检验岩体渗透性是否满足渗透稳定要求[5],即内水外渗量不随时间的延续而持续增加或突然增加,围岩不发生水力劈裂和渗透失稳。根据《水工隧洞设计规范》(NB/T 10391—2020),在设计内水压力作用下围岩的透水率或经灌浆后的围岩透水率应小于等于1.0 Lu。根据以往工程经验,Ⅱ类、Ⅲ类围岩的长期稳定渗透水力梯度一般控制在10°～15°。

1) 岩体透水率

对输水系统引水竖井的YK20钻孔、厂房长探洞(引水岔管)的CZK1钻孔进行了高压压水试验,孔位位置见图4和图5,在地下厂房CPD1—2支洞内的CZK2—1孔(水平孔)进行了高压压水试验。

图4 压水试验钻孔孔位剖面布置图

图5 压水试验钻孔孔位平面分布图

YK20钻孔布置于引水竖井,该钻孔高压压水试验成果显示:岩体孔深172.5～177.5 m段受陡倾角节理较发育影响,最大透水率为1.04 Lu,岩体呈弱透水,其余测试段岩体透水率q为0.05～0.99 Lu,岩体呈极微透水或微透水。压力—流量(P—Q)关系曲线类型以C型(扩张)为主,占65%;D型(冲蚀型)占31%;少量A型(层流),占4%。

CZK1钻孔布置于引水岔管,该钻孔高压压水试验结果显示:岩体孔深29.3～34.3 m和36.0～41.0 m段在7.0 MPa的试验最高压力作用下,透水率q为1.04～1.11 Lu,岩体呈弱透水状态;其余测试段岩体q为0.03～0.88 Lu,呈极微透水或微透水状态。P—Q曲线类型以C型(扩张)为主,占72%; D型(冲蚀型)占22%;少量A型(层流),占6%。

从YK20、CZK1孔高压压水试验成果来看,除3段岩体透水率为1.04～1.11 Lu,不满足小于1.0 Lu的要求外,其余均满足要求。

2) 岩体长期稳定渗透水力梯度

CZK2-1高压压水试验结果表明:随着试验压力持续时间延长和试验循环次数增多,岩体的水流渗透影响范围越大、渗径越远,当裂隙中的钙质、高岭土被冲蚀带出后,裂隙的二次重张压力降低,渗透流量会进一步增大。在孔深24.0～29.0 m段,裂隙稳定水力破坏梯度约为11。在孔深13.5～18.5 m段,当岩体内部没有大的渗透通道或临空面时,裂隙水饱和之后,渗压水会原路返回,对裂隙进行冲蚀。这说明输水系统岩体在高压水头作用下存在沿长大裂隙、破碎带(断层)产生扩张破坏的可能,且部分扩张破坏永久性不可逆,裂隙面充填物多被冲蚀、移动。

3) 结构面张开压力

YK20钻孔对应引水竖井的试段P—Q曲线类型主要为C型(扩张)、D型(冲蚀),结构面张开压力一般为1.49～7.0 MPa,张开压力多数大于对应段的最大静水压力0.95～4.44 MPa(图6),其中对应引水竖井高程分别为412～417,377～382,367～372,328～333,286～291,256～261,238～243,177～182,155～160 m段小于最大静水压力(约占30%),337～342,323～328,277～282,192～197 m段小于1.2倍最大静水压力(约占45%),围岩不满足渗透稳定要求,在高压水头作用下易扩张破坏。CZK1对应引水岔管的试段主要为C型(扩张),少量A型(层流),结构面张开压力一般为1.4～7.0 MPa,张开压力大于对应段的最大静水压力4.44～4.62 MPa(图6),围岩满足渗透稳定要求。

图6 高压压水试验结构面临界张开压力与最大静水压力随深度分布曲线

CZK2钻孔对应引水竖井的试段P—Q曲线类型主要为C型(扩张)、D型(冲蚀),少量E型(充填)。试验结构面张开压力一般为4.2～7.0 MPa。张开压力多数大于对应段的最大静水压力4.02～4.62 MPa,其中对应引水下平洞及岔管高程114～119 m段小于最大静水压力,围岩不满足渗透稳定要求。围岩在高压水头作用下易扩张破坏,需加强固结灌浆处理。CZK2-1水平孔孔深13.5～18.5 m和24.0～29.0 m采用中速法进行高压压水试验。试段P—Q曲线类型为D型(冲蚀),结构面张开压力一般为4.2～5.6 MPa,多次循环后张开压力为2.8 MPa,张开压力小于对应段的最大静水压力3.53 MPa,围岩不满足渗透稳定要求。围岩在持续高压水头作用下容易出现扩张破坏现象,须加强固结灌浆处理。

引水压力管道上平洞段静水压力为0.45～0.73 MPa。上平洞段岩体为微风化或新鲜,块状或次块状结构。岩体大部分属完整或较完整,局部完整性差。围岩以Ⅲ类、Ⅱ类为主,推测在上平洞末端发育断层f307,断层破碎带、节理密集带为Ⅳ—Ⅴ类。该段沿线钻孔常规压水试验表明微风化岩体的透水率均小于1.0 Lu,符合渗透稳定要求。

引水竖井静水压力为0.95～4.44 MPa,岩体新鲜,呈次块状或块状结构,较完整或完整,围岩类别以Ⅲ、Ⅱ类为主,推测在竖井上部发育断层f303,局部断层破碎带Ⅳ类。YK20钻孔揭露该洞段微新岩石局部陡倾角结构面发育,节理附方解石脉多蚀变,沿面附高岭土等亲水矿物,厚一般为0.5～1.0 mm,工程性状较差,易发生冲蚀破坏。根据CZK2-1高压压水试验成果,在一定压力渗透水流的长期作用下存在渗透稳定问题,根据不符合渗透准则,须加强高压固结灌浆处理。根据YK20和CZK1钻孔内高压压水试验成果可知,部分张开压力小于对应段的最大静水压力(约占30%),部分张开压力小于1.2倍最大静水压力(约占45%),在高压状态下会沿结构面产生扩张和冲蚀破坏,围岩大部分不满足渗透稳定要求。水平孔CZK2-1高压压水试验,在渗透水力梯度为11时,产生了渗透破坏现象,结构面内充填的钙膜等会被带出。

引水下平洞至岔管段静水压力为4.44～4.50 MPa,岩体新鲜,块状-次块状结构,岩体完整-较完整,局部完整性差,围岩类别以Ⅲ类、Ⅱ类为主,局部断层带Ⅳ类。根据钻孔CZK1高压压水试验成果(图6),围岩在最大试验压力下的最大流量为16.8 L/min,透水率q为1.4 Lu,获得结构面张开压力为1.4 MPa,小于相应隧洞段的静水压力,在水压力作用下会沿结构面产生扩张和冲蚀破坏,围岩不满足渗透稳定要求。

根据工程长探洞揭示,沿断层带、岩性界面、长大节理等多处涌水或线状出水(淋雨状),多数出水点涌水时间不长,少量持续稳定涌水。从揭示地质条件及洞内钻孔施工时地下水连通关系分析,说明断层带、张开裂隙等透水性较强,连通性及导水性好。根据高压试验成果推测裂隙在高压状态下易产生扩张冲蚀性破坏,存在内水外渗及沿断层带的渗透变形问题。

综上所述,引水上平洞沿线钻孔常规压水试验表明微风化岩体的透水率均小于1.0 Lu,满足渗透稳定的要求。从高压压水试验结果来看,引水竖井高程420 m以下洞段结构面张开压力多数孔段小于对应段的静水压力,在水压力作用下会沿结构面产生扩张和冲蚀破坏,围岩大部不满足渗透稳定要求,须加强高压固结灌浆处理。引水下平洞至岔管段结构面张开压力小于对应段的静水压力,围岩不满足渗透稳定要求,须加强围岩的高压固结灌浆处理[6]。

3 结 论

最小覆盖厚度表明,引水隧洞沿线上覆岩体总体厚实,输水系统各构筑物部位均满足上覆岩体最小覆盖层厚度的要求。最小主应力准则表明,引水压力管道上平洞满足最小应力准则要求,引水竖井高程330 m以上的洞段满足最小应力准则要求,高程330 m以下的洞段的引水下平洞及岔管洞段基本满足最小应力准则要求,安全余度不大。渗透准则表明,压力管道上平洞沿线、引水竖井高程420 m以上洞段,岩体透水率均小于1.0 Lu,满足渗透稳定要求,引水竖井高程420 m以下洞段的引水下平洞至岔管除局部段外,岩体透水率均小于1.0 Lu,但最大试验压力时的渗透流量较大,且结构面临界张开压力、关泵闭合压力较小,沿线节理较发育,陡倾角为主,沿面附0.5～1.0 mm方解石脉,部分蚀变,工程性状较差,易发生冲蚀破坏。根据平洞揭示,沿部分断层、节理渗水或涌水。根据CZK2-1高压压水试验成果推测在高压状态下存在内水外渗及沿断层带的渗透变形问题,在一定压力渗透水流的长期作用下存在渗透稳定问题,不符合渗透准则。从工程地质专业的角度分析,并吸取其他工程的经验,建议从引水竖井高程420 m以下洞段及引水岔、支管部分采用钢板衬砌更为合理、安全、可靠,其余洞段采用钢筋混凝土衬砌[7-8]。输水发电系统主要洞段均位于地下水位以下,压力管道沿线除引水上平洞外水压力较小,其余洞段外水压力均较大,隧洞采用钢板衬砌后,采取合适的抗外压稳定措施,并做好钢衬的外排水措施。