深埋洞室群围岩渗流场分析及渗控效果初步评价

崔皓东，朱岳明，张家发，朱国胜

1 概 述

随着我国水电开发的快速推进，高坝大库在大批地规划建设［1］。目前正在规划和设计中的水电站及抽水蓄能电站的隧洞向大直径、超埋深、高水头发展，如我国锦屏二级引水隧洞埋深达2 500 m［2］，天荒坪抽水蓄能电站工程岔洞内最大动水头超过800 m［3］，这些都给设计、施工带来新挑战；广州抽水蓄能电站工程内水压力水头超600 m的高压岔洞国内首次采用了以钢筋混凝土衬砌代替常规的钢板衬砌。而采用非预应力混凝土或钢筋混凝土衬砌的有压隧洞，当内压水头超过100 m时，衬砌就可能因内压作用而开裂；当内压水头超过300 m时，即使围岩的模量大于混凝土模量，衬砌仍然会因内水压力开裂而导致高压内水外渗［4］；深埋于山体内的隧洞，常与地下厂房洞室群相连，若高压渗水不能有效控制，势必危及边坡稳定［5］和下游侧厂房的安全，若渗控系统失效则后果更是不堪设想［6，7］。因此，对深埋高压水工隧洞衬砌开裂及复杂渗控措施下的渗流场进行精细有限元分析显得尤为重要。

复杂的地质条件下，洞室群尤其是高压输水洞衬砌开裂状态下的渗流场特征一直受学术界和工程界所关注［8］。运用基于固定网格的渗流自由面求解［9］、精细的排水孔模拟［10］以及断层模拟［11］等方法，对某抽水蓄能电站在高压引水洞及岔洞衬砌开裂状态下，输水管线及地下厂房区围岩渗流场进行了三维有限元分析；重点研究了高压岔洞开裂状态下厂房上游侧引水支管区的渗流场分布特征，并对工程渗控效果做初步评价，对同类工程有一定参考意义。

2 地下工程复杂渗流场求解技术

地下厂房洞室群都深埋于山体内，围岩呈非均质强各向异性，断层错综分布，渗控措施又极为复杂；在其渗流场的分析中，常涉及到渗流自由面、密集排水孔幕、复杂断层的模拟等关键求解问题。

在无压渗流场分析中，自由面的正确求解至关重要，文献［9］提出了基于固定网格的结点虚流量法，为求解无压渗流问题开辟了新途径。该方法在求解精度和收敛性方面有很强的优势，能满足地下工程复杂渗流场的求解要求［12］，下面简述其原理。

在无压渗流场计算时，渗流自由面和逸出点的位置通常是未知的，需要通过迭代才能求出。根据文献［9］，自由面将整个计算域Ω分为实域Ω1和虚域Ω2，结点虚流量法对应的有限元方程中求解未知量是节点水头，有限元迭代计算格式如下［9］：

式中：［K］，｛h｝和｛Q｝分别为计算域 Ω＝Ω1∪Ω2的总传导矩阵、结点水头列阵和结点等效流量列阵；｛Q2｝为渗流虚域的结点等效流量列阵；｛ΔQ｝为虚域对计算域Ω中所有未知结点水头贡献流量列阵，其物理意义相当于用｛ΔQ｝扣除渗流方程左边项中各结点上相应的虚域流量贡献。具体论证过程及验证限于篇幅，不再详述，详见文献［9］。

排水孔在岩土工程中应用极为广泛，其往往能对工程的渗流特性起到关键性的控制作用［12］。根据其实际功能主要可分为两类［12］：逸流型和溢流型。

事实上，从精细模拟的角度，排水孔应作为计算域的边界处理，因此对排水孔按等效处理在理论上是不够严密的。笔者在文献［10］中改进了排水孔的剖分模式，进而提出排水孔直接精细模拟技术。针对溢流型孔每个排水孔顶口处虚构了能甄别其功能的开关器，为该类排水孔渗流行为的精细模拟及甄别提供了方便；对于逸流型孔就直接按可能逸出面边界处理；详见文献［10］的阐释及验证。

在常规有限元分析中，断层（裂隙）模拟是建模时根据其位置、产状、开度等信息进行单元离散并赋以渗透系数。而隐式复合材料单元法［11］则在不考虑裂隙的情况下，对计算域进行传统有限元离散，随后，结合其产状以及变换后的水力学参数，利用体积加权的方法将裂隙的渗透特性等效到与其位置相交的单元中。因此，隐式复合材料单元法极大地简化了对断层的前处理，这也是该方法的优势所在。根据该方法，渗透系数等效矩阵为［11］

式中：t代表断层开度；Kf，Kr分别是断层切向与法向渗透系数，其他参数含义详见文献［11］。

3 工程概况及有限元建模

3．1 工程概况

某抽水蓄能电站设计装机容量1 200 MW。上、下库落差约445 m。枢纽主要由高压输水洞、主副厂房、安装间、母线洞、主变洞及尾水闸室等主要洞室组成。高压引水隧洞和高压岔洞段拟采用钢筋混凝土衬砌，一洞四机布置，连接主厂房的高压引水钢支管上方区域，布置有防渗帷幕及排水孔幕（图1）。厂区四周布置有如图2所示的主防渗排水系统，另外主厂房等各主要洞室上半部四周还布置有第二道辅助排水孔幕。

工程区岩体呈成层分布，据观测资料，地下水埋深一般在10～30 m，靠近冲沟较浅。地下水位分布在强风化带中、下部或弱风化带上部，年变幅一般在10 m以内。在山坡上40 m深度以下为相对不透水层，岩石透水率一般＜2 Lu，不少地段为0。在相对不透水层中存在有脉状裂隙水，在探硐内多沿裂隙和断裂呈渗滴或渗流状出露，出露不普遍，受季节影响小，水量有限，与上部裂隙性潜水含水层存在一定的水力联系，接受其补给，但不是很密切。

图1 高压岔洞及钢支管区渗控布置平面示意Fig．1 Layout for seepage control in pipe region

图2 地下厂区横剖面图Fig．2 Transverse section of the powerhouse

厂房洞室群主要位于燕山三期花岗岩层内。高压隧洞都置于微风化带花岗岩体中，根据地质勘测揭示，高压岔洞以Ⅱ类围岩为主，占87．7%，次为Ⅲ类围岩占12．3%，无Ⅰ类围岩，工程地质条件中等；上平洞至下平洞段岩体围岩以Ⅰ～Ⅱ类为主，局部受断裂构造影响，为Ⅲ类围岩，约占13．3%，工程地质条件较好。地下厂房区地质构造较发育，主要表现为小断层及裂隙。根据地勘揭示，通过厂房洞室群的断层共31条，但规模及影响带范围均较小。宽度大于0．5 m的Ⅲ级断层只有4条，其余断层宽度0．1～0．4 m，为Ⅳ级断层。断层断裂带一般由碎裂岩、角砾岩、糜棱岩组成，胶结从一般至差，但断层倾角都较陡；各断层渗透系数主值在（1．5～17．1）×10－7m／s之间。根据厂房轴向上方的支探洞和主探洞资料得知，地下厂房和主变室以Ⅰ、Ⅱ类围岩为主（约占95%）。该厂区的工程地质条件较优越，工程区渗透性分区见图3（图中字母表示不同的渗透性分区），各分区渗透系数因岩性和岩体风化程度而各异，分布在（1．2～83．0）×10－7m／s之间。防渗帷幕渗透系数取1．0×10－7m／s。其中计算域内考虑5条主要断层。开裂状态的衬砌其渗透系数与围岩的相同。

3．2 有限元建模及工况确定

本文重点研究工程运行期高压输水隧洞衬砌开裂状态下围岩渗流特性及渗控措施效果，采用单独考虑主要断层基础上的等效连续介质模型，范围见图3，图4。

图3 计算域材料渗透性分区分界平面示意Fig．3 Planar graph of material partition in the region

图4 计算域材料渗透性分区纵剖面示意Fig．4 Longitudinal section of material partition in the region

根据各种防渗帷幕及排水措施的布置（如不同的位置和排水孔间距）情况等条件加以合理假设组合，建立多组方案，以全面掌握地下工程区的渗流特性。图5，图6为有限元计算网格，本文所选工况经过二次剖分形成排水孔后单元总数为110 681个，结点数是123 856个。模型所考虑的主要断层见图5。限于篇幅，本文仅讨论优选方案，渗控布置见图1和图2；42 m高程排水廊道底部排水孔间距3 m，孔径65 mm，深40 m；92 m高程设置灌浆廊道，距高压岔洞约15 m，灌浆形成深至－18 m的防渗帷幕。

图5 模型网格及主要断层位置Fig．5 FE meshes and main faults

图6 工程区全部排水孔网格Fig．6 The holes meshes

因工程区范围大，洞室群空间布置及渗控措施都极为复杂，为能较准确分析关键区域渗流特性，本模型取边界时，采用大尺度模型先计算后再利用插值的方式获得模型所需的四周边界，限于篇幅在此不详述。高压隧洞内水头值采用上库水位526．8 m，尾水管采用下库水位80．0 m为定水头边界。各部位排水孔幕根据2节方法处理。

4 结果分析及评价

4．1 计算结果分析

工程高压岔洞段内压力水头达445 m，其高压内水外渗重点影响钢支管区和厂区围岩渗流场分布。另因计算域较大，计算结果采用局部放大。从图7、图8可见：整个渗流场的水头分布规律合理，等值线形态、走向和密集程度都正确地反映了相应位置处的渗控措施特点和边界条件。主厂房等主要洞室上部和四周均处于渗流疏干或低压力水头区。在支管区排水孔幕附近，水头等值线密集，水头削减明显，表明其起到了很好的排水降压作用。

图7 A－A断面压力水头等值线分布（局部）Fig．7 Water head pressure isolines for section of A－A（local）

图8 C－C断面压力水头等值线分布（局部）Fig．8 Water head pressure isolines for section of C－C（local）

从表1可以看出，尽管高压岔洞衬砌开裂后高压内水外渗，但经过其下游侧的防渗帷幕和排水幕的联合作用，厂房及其周围排水廊道流量较小。

表1 各关键位置渗流量Table 1 The seepage discharges at the key places m3／h

由图7知，岔洞高压内水外渗形成由内向外递减的压力水头等值线，而其上游侧的3＃施工支洞由于洞内壁是排水边界而形成与岔洞相反的分布，洞周围等值线封闭。42 m高程排水孔幕上游侧压力水头线密集分布，排水孔幕的排水降压效果明显，在其下游侧压力水头都降至60 m以下。除了高压支管区渗控措施外，在厂房上游侧排水廊道内部布置有如图2所示的防渗帷幕和排水孔幕，厂房洞室群在顶部和周边渗控措施的作用下，大部分区域压力水头在20 m以内，其中厂房的渗流量仅为5．71 m3／h。

从图8、图6综合分析可知，岔洞高压渗水受其下游侧排水孔幕的控制明显。厂房洞室群周围水头压力很小，也表明其周边渗控措施的渗控效果明显。

图9（a）是A－A断面渗透比降等值线分布，（b）是高压岔洞周围局部放大图。图（a）中可知该断面渗透比降等值线主要在高压岔洞、排水孔幕及厂房洞室周边分布密集；图（b）表明，在高压岔洞至其下游侧排水孔幕约30 m的范围内，渗透比降从22降至10左右，排水孔幕下游侧高压钢支管上方绝大部分区域渗透比降在2．5以下；厂房洞室群区域都在1．0以下。3＃施工支洞靠近高压岔洞，洞壁排水使其周边渗透比降较大，洞内壁渗透比降最大约8．0。

图9 A－A断面渗透比降等值线分布（局部）Fig．9 Seepage gradient isolines for section of A－A（local）

由图10可知，在高压钢支管区及厂房周围，渗透比降基本都在2．5以下，而在高压岔洞及排水孔幕周围渗透比降相对较高。其中4＃钢支管与高压岔洞连接部位距3＃施工支洞折拐处较近，而施工支洞又是该区域的出渗边界，因此压力水头分布在该区域急剧变化而形成较高的渗透比降，使该部位岔洞边缘最大渗透比降达80左右。

图10 C－C断面渗透比降等值线分布（局部）Fig．10 Seepage gradient isolines of section of C－C（local）

从图11可以看出，钢支管外水压力在引水方向有规律地逐渐减小，在距高压岔洞约15 m和30 m处，4条支管外水压力都有明显降低，这是防渗帷幕和排水孔幕联合作用的效果。因4号支管外侧未封堵的施工洞排水作用，使1～4号外水压力并不一致。在运行期，适当的外水压力是保持钢支管内外压力平衡的关键。

图11 引水钢支管外侧压力水头分布Fig．11 Water head pressure distribution of steel branch duct

4．2 高压固结灌浆范围及排水孔加密的建议

尽管高压岔洞和钢支管所在区域基本是新鲜岩体，但据类似工程［13，14］经验可知，在长期高压内水外渗影响下，原本并不明显的裂隙极有可能进一步发育，形成渗透通道，致使岩体裂隙结构面（或有充填物）在工程长期运行阶段发生渗透变形破坏或水力劈裂。计算显示4＃钢支管与岔洞交接处渗透比降较大，因此除对高压岔洞围岩高压灌浆外，对钢支管围岩进行高质量固结灌浆是很有必要的。本工况3＃施工洞尽管靠高压岔洞一头进行了60 m的封堵，但靠近堵头段洞壁渗透比降较大，因此应保证封堵质量或适当增加堵头长度。另外，42 m高程廊道底部设计间距3 m的排水孔渗控效果显著，但根据其他多个工况计算分析表明，该部位排水孔间距应适当加密至1．5～2 m，以提高其排水降压能力。此外，本研究仅限于防渗帷幕的布置位置、范围和排水孔幕的位置、孔距等因素，高压支管区帷幕渗透性按1 Lu取值，与其围岩渗透性比约1∶1．3。作为关键区域，其防渗帷幕与其围岩的渗透性比还需进行敏感性分析。

4．3 工程区渗控效果初步评析

对于深埋高压输水隧洞，抗水力劈裂和防止内水外渗是设计应当考虑的主要问题。除了要满足抗抬理论经验准则，最小主应力准则及围岩条件之外，还应满足渗透准则［13］。我国《水工隧洞设计规范》DL／T5195 2004规定钢筋混凝土衬砌高压岔管部位围岩（或经高压灌浆处理后）透水率应达到小于1．0 Lu［15］，而本工程高压岔洞位于微透水花岗岩体内，Ⅱ类围岩接近90%，围岩透水率基本在1．0 Lu左右，且高压钢支管区渗透比降基本在2．5以下，满足不大于10．0的经验值［13］。又据计算结果引水钢支管外侧压力水头至厂房时已接近0。由以上分析可以初步判断工程区渗控效果是显著的。

5 结 语

工程算例表明，本文介绍的算法能实现大型复杂工程渗流问题的精细求解，是成功且实用的；

研究表明，深埋高压隧洞衬砌开裂状态下，现有渗控措施能有效控制高压渗水，工程区各关键位置渗透比降和渗流量均较小，根据经验和规范要求，基本能保证工程安全。

为了减少高压内水外渗的渗漏量和围岩抗水力劈裂能力，应保证高压洞室围岩高压固结灌浆的施工质量。针对高压深埋隧洞所采用的渗控措施，对同类工程有参考意义。

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