上水库裂隙特征及其对水库安全性的影响研究

摘 要：上水库在抽水蓄能电站中具有蓄水储能的重要作用，但是其经常受岩体裂隙引起的渗流危害的困扰。针对这一问题，本文分析了上水库岩体的裂隙特征，绘制了裂隙角度随时间的变化曲线。构建了基于渗流速度的关键方程，形成了岩体渗流机理的分析模型。在试验中，根据所提模型计算岩体渗流的仿真结果，采用注浆手段提升岩体强度，防止渗流危害。

关键词：抽水蓄能电站；上水库；裂隙特征；渗流；防渗

中图分类号：TV 64" " 文献标志码：A

我国的水电能资源储备位居世界第一位，其最大理论储藏量接近7亿kW。水电能源利用水力势能完成发电，属于可再生资源且对环境无污染[1]。然而，我国总体水电能源开发率不足30%。目前，为了加快水电能源开发，我国在许多江河的适宜位置兴建了水利、水电工程，涌现大量抽水蓄能电站[2]。其中，上水库是抽水蓄能电站的重要组成部分，执行储水蓄能任务。为了降低水利、水电工程的建设成本，上水库通常根据地形进行选址，充分利用山石岩体的自然结构形成坝体的主体结构。对于不能满足阻拦水位需求的点位，进行人工坝体浇注。基于天然岩体完成坝体建设确实具有较大的经济性优势，但是也有较大的安全隐患[3]。在多水系的自然条件下，山石岩体含有诸多孔洞和裂隙。错综复杂的裂隙网络会形成渗流。长期渗流会降低坝体强度，严重时会出现突水、涌泥，甚至塌方等重大灾害，危及上水库安全。本文分析了上水库裂隙特征，进而建立渗透机理模型，提出了注浆修复等策略，并通过试验加以验证。

1 上水库裂隙特征分析

上水库的裂隙特征主要体现在依托自然岩体形成的坝体上。虽然很多岩石表面上看是一个无损整体，但是在长期的沉积、风化作用下，岩石内部存在大小不等、数量不一的缝隙。这些缝隙的走向、倾向、角度和长度各不相同。众多裂隙组合在一起就会形成裂隙网络，其内不仅可以存储水分，还会形成渗流。渗流对大坝整体具有破坏性，容易导致大坝出现严重的安全问题。

因此，分析上水库坝体的裂隙特征主要是分析其物理参数导致的渗流特征。宏观层面要考虑岩体全部裂隙的形成性质和分布规律；微观层面要考虑裂隙走向、裂隙倾向、裂隙角度和裂隙长度等参数对应的渗流张量。本文对一般裂隙渗透率的分析如图1所示。

从图1可以看出，在沉降等作用的持续影响下，岩石裂隙角度会随时间的持续不断加大，从而导致严重的渗流。

2 上水库裂隙特征导致渗流的机理

对抽水蓄能电站的上水库来说，基于岩体的大坝安全问题需要重点关注，而岩体裂隙导致的渗流则是最大的危险因素。为了准确量化分析这种渗流的影响，需要建立渗流机制的数学模型。渗流的形成原因是多方面的，通常渗流影响的主要表征以渗流速度为准。渗流速度的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：v为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致的渗流速度；K为岩体对抽水蓄能电站上水库坝体裂隙渗流过程的影响系数；H为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的水头损失；L为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的渗流长度；J为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的水力梯度。

还可以采用公式（2）计算渗流过程中的渗流速度。

（2）

式中：v为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致的渗流速度；Q为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的渗流总量；A为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的渗流面积。

进一步可以推导渗流速度各个方向上的分量与水头损失的关系，如公式（3）所示。

（3）

式中：x为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的岩体条件的x向坐标；y为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的岩体条件的y向坐标；z为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的岩体条件的z向坐标；wx为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致的渗流速度的x向分量；vy为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致的渗流速度的y向分量；vz为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致的渗流速度的z向分量；s为饱和状态下抽水蓄能电站上水库坝体裂隙的岩体作用边界；h为抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流时的水头损失。

进一步推导抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流的稳定条件，其多元偏微分模型如公式（4）所示。

（4）

式中：Kx为岩体对抽水蓄能电站上水库坝体裂隙渗流过程的影响系数的x向分量；Ky为岩体对抽水蓄能电站上水库坝体裂隙渗流过程的影响系数的y向分量；Kz为岩体对抽水蓄能电站上水库坝体裂隙渗流过程的影响系数的z向分量。

进一步推导抽水蓄能电站上水库坝体裂隙导致渗流的非稳定条件，其多元偏微分模型如公式（5）所示。

（5）

3 上水库大坝防渗处理和测试

上文对抽水蓄能电站上水库岩石坝体的裂隙问题进行了研究，分析了其典型特征，绘制了裂隙角度随时间逐渐增大的变化曲线。并基于渗流速度这一关键参数，构建了裂隙导致的渗流模型。根据上述模型，可以了解到仿真环境下的上水库大坝因裂隙导致的渗流情况。

渗流破坏主要包括以下2个方面。第一，当岩石坝体原本就存在孔洞、裂缝时，渗流会在这些孔洞、裂缝中持续流动，形成连通冲刷，从而使岩石坝体的裂隙率进一步扩大，增加风险概率。第二，当岩石坝体原本不存在孔洞、裂缝时，在持续的浸泡冲刷腐蚀作用下，将岩石坝体相对薄弱的点位被冲开，从而产生新的孔洞或裂缝，给原本安全的岩石坝体带来新的风险。这2种作用会随着季节变化、降雨量多寡、河水水位高低而发生变化，作用强度也会有所不同。因此，在试验过程中，需要区分不同季节情况下渗流作用的影响。本文试验将上水库分为蓄水期和洪水期，以对应正常水位和较高水位的不同情况。进而考察蓄水期间上水库岩石大坝可能出现渗漏问题的安全状况。在上水库蓄水期，河水水位较高，大坝底部和根基部分所承受的水压更大，发生渗漏的概率也更大，已经出现的渗漏流速更快。上水库岩石大坝在蓄水期发生渗漏的渗流方向仿真结果如图2所示。

图2中，带有箭头的小线段表示渗漏发生的方向。从图2可以看出，水流流向是从左向右的，水库大坝左侧根基处的渗漏十分密集。并且水面以上的大坝部分也可能存在一定程度的渗流，这与水浪掀起的高度和频次有关。

进一步观察上水库岩石大坝在正常水位下发生渗漏的渗流方向仿真结果，如图3所示。

从图3可以看出，河水流向是从左向右的，与图2所示的蓄水期相比，在水位下，水库大坝左侧根基处的渗漏没有那么密集。并且水面以上的大坝部分也可能存在一定程度的渗流，这与水浪掀起的高度和频次有关。

为了有效解决裂隙问题的影响，尤其是为了抑制渗流现象，需要对上水库岩体大坝进行注浆处理。注入液态浆体可以填塞裂隙空间，使岩体更密实，有效遏制渗流，避免渗流对坝体强度的影响。

在试验过程中，取上水库上坝体的局部天然岩体作为研究对象。样本岩体与上水库整体的岩石构成情况一致，均存在一定程度的裂隙，这些裂隙会造成渗流。本文采用内部测定仪器观察样本岩体的内部水含量，所得云图效果如图4所示。

接下来需要对样本岩体进行注浆处理，以填塞岩体内部裂隙。注浆材料采用硅溶胶、PO42.5水泥以及含聚丙烯纤维PO42.5水泥。将注浆材料注入预制裂隙中并静置48h后进行标准养护，28d后取出待用。每种样品重复试验3次，取其平均值作为试验结果。经过注浆处理后，再次观察样本岩体内部的水分分布云图，如图5所示。

比较图4和图5可以明显看出，经过注浆处理后，样本岩体内部的裂隙得到了有效填充，部分岩体内部水分分布区域的裂隙完全消除，部分区域的裂隙面积显著缩小，充分证明了对于裂隙导致的渗流现象，采用注浆处理可有效提升上水库坝体的安全性，也间接证明了本文研究工作的意义。

综合上述试验结果可以看出，对抽水蓄能电站的上水库大坝来说，基于天然岩体虽然能加快施工进度，节省成本，具有较高的经济效益，但是岩体在常年沉积、风化等自然力的作用下存在大量的裂隙特征。这些裂隙存在于岩体内部，不易被发现。裂隙特征的存在绘导致出现渗流现象，渗流密集且渗漏量较大将会对岩体造成较大破坏，具有一系列安全风险。准确分析岩体中的裂隙特征，并利用注浆技术进行填充处理，能够对坝体起到较好的加固作用，从而有效解决裂隙特征带来的安全隐患，对提升岩体安全性、大坝安全性乃至整个上水库和抽水蓄能电站的安全性都具有重要意义。

4 结论

上水库是抽水蓄能电站的重要组成部分，执行储水蓄能任务。上水库大坝基于天然岩体完成坝体建设，具有较大的经济优势，但是山石岩体含有诸多孔洞和裂隙。错综复杂的裂隙网络会形成渗流，严重时会导致突水、涌泥和塌方等灾害。为了提升上水库大坝的强度，本文针对岩体裂隙导致的渗流问题进行了模型化分析，在试验过程中给出了渗流方向的计算仿真结果。并进一步采取注浆手段填塞岩体裂隙，有效提升了上水库大坝的强度，防止发生渗流。

参考文献

[1]李雪佳，池明波，吴宝杨.基于分布式光纤监测的煤矿地下水库层间覆岩裂隙发育规律研究[J].中国煤炭，2022，48（9）：101-108.

[2]宋洪庆，吕陈平，李天昕.基于应力-渗流-溶质运移耦合的煤矿地下水库渗漏污染模拟研究[J].环境工程技术创新与应用2022，35（6）：235-244.

[3]彭斌，张琳，周永波.盾构隧道下穿水库引起的导水裂隙带发育规律研究[J].低温建筑技术，2022，44（5）：1012-1016.