白鹤滩水电站右岸导流洞施工涌水数值模拟

张 亮，吴吉春，施小清，朱祥东

(1．南京大学地球科学与工程学院水科学系，江苏南京 210093;2．中国三峡集团公司白鹤滩水电站筹备组，四川宁南 615400)

中国西南部已建与在建水电站多采用地下隧洞作为导流设施，导流洞施工过程中常遇突发涌水，威胁工程安全并影响施工进度。如构皮滩水电站施工过程中，水库在导流洞下闸后蓄水至490m时，1号导流洞突现涌水，目测水柱直径3m，洞内水深8m。与白鹤滩工程地质条件相似的溪洛渡水电站2004年在导流洞主洞施工中出现施工面渗水。渗水问题虽然通过防渗帷幕措施得以解决，但处理费用高昂，而且极大影响了正常施工进度。

白鹤滩水电站地下工程主要包括导流工程、引水发电系统工程和泄洪洞系统工程。根据白鹤滩水文地质条件分析，在地下洞室施工过程中将不可避免地碰到涌水状况。导流隧洞和尾水隧洞的洞底高程基本与河底高程一致，洞底高程低于常水位20～25m，低于10年一遇河水位45m以上。导流隧洞和尾水隧洞的进出口段距河道较近，围岩位于风化带、卸荷带，透水性相对较强;受层内层间错动带发育的影响，在一定横向深度范围内易形成相对富水的条带，可能成为江水涌入地下洞室的通道。

地下工程渗流问题作为工程重要风险，需要从施工和管理角度提供方案建议。地下工程施工过程中的涌水量指单位时间内流入施工区域的水量，是处理地下工程施工中涌水问题首要考量的因素。提前预测地下洞室工程施工中的围岩涌水情况，可以为防治措施及排水方案的设计提供依据，实现地下洞室安全、顺利、快速、经济的施工。

1 研究区域概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游，坝址左岸属四川省宁南县跑马乡，右岸属云南省巧家县大寨镇，距离下游溪洛渡水电站约195km，控制流域面积43．03×104m2，坝址区多年平均流量4 190m3/s。白鹤滩水电站混凝土双曲拱坝坝高289m，水库正常蓄水位825m，正常蓄水位以下库容190．06×108m3。电站装机容量初拟14 004MW。

坝址区属中山峡谷地貌，地势北高南低，向东侧倾斜。左岸为大凉山山脉东南坡，整体呈向金沙江倾斜的斜坡地形;右岸为药山山脉西坡，主要为陡坡与缓坡相间地形。右岸高程1 000～1 400m以下为陡崖区，以上呈台地缓坡[1]。谷坡左岸相对较缓，右岸陡峻，河谷呈不对称的V字形。

白鹤滩水电站设计建造5条导流隧洞，除右岸布置的4号与5号导流洞外，左岸同时布置3条。本文的研究区划定坝址区右岸上下游2．5km，横向深度500m范围区域，完整囊括4号与5号导流洞(图1)。

1.1 水文地质概况

图1 研究区地形图及导流洞平面位置(F15－19分别表示右岸5条断层走向)Fig.1 Terrain map of the study area and the position of tunnels(the five faults are illustrated in number F15－19)

坝址主要出露二叠系上统峨眉山组玄武岩，上覆三叠系下统飞仙关组砂页岩。二叠系上统峨眉山组P2β3中部 P2β23，P2β33部分区域柱状节理发育[2～3]。地层呈假整合接触，第四系松散堆积物主要分布于河床及缓坡台地上。

坝址区自大寨沟沟口起，至神树沟沟口止，河段长1．7km。金沙江由南向北流入坝址，枯水期水面宽51～110m，上游水位约591m，下游水位约589m，水深9～18m不等。河床中的孔隙水主要接收江水和河床两侧地下水的补给，排向金沙江。

右岸1 100m以上分布飞仙关组粉砂岩、泥岩、砂岩，为区域阻水结构。右岸地表水以及降水主要通过地表径流汇入大寨沟然后排向金沙江，而渗入补给下伏玄武岩体的水量有限，加之水平方向渗透性比垂直方向要强，因此右岸地下水位埋深相对较大。

1.2 地层与断层

结合钻孔柱状图和已有的勘探线剖面图对地层资料进行整理，根据钻孔资料中的岩性描述和对地层的概化，确定各地层的空间结构数据，并对地层进行岩性编号[4～7]，按照岩层透水性的不同将计算区分为9个渗透分区，详见表1。

右岸主要分布有五条断层，分别为 F15、F16、F17、F18和F19断层，其平面位置分布见图1。F15、F16与F18属于NW300°组断层，F19属于NW320°组断层。而F17属于最晚形成的NE40°组断层，并且是该组最大的断层，长约1 600m，破碎带宽0．6～3．0m。研究区内，F17断层错段 F18、F19断层，同时在远端错断 F16断层[8]。由于缺乏断层垂向倾角信息，本文算例皆假设断层垂直切割厚层玄武岩层。分布于岩体中的断层活动不强烈，对大坝的整体稳定性影响不大[8]。断层等结构面交叉连通或贯穿，在地下水渗流中可能会起着渗漏通道的作用。

表1 岩层分区及各分区渗透系数Table1 Hydraulic conductivity values assigned to partitions of rock flows

1.3 导流洞布置

研究区内的4号与5号导流洞平行布置，相互间距50m。两条导流洞分别包含入口段，中间段与出口段，中间段均近似平行于金沙江。4号导流洞临江较近，其中间段距离岸边231～310m。4号导流洞进口段长约313m，中段长约1 033m，出口段长约354m，长度总计为1 700m。5号导流洞进口段长约409m，中段约长1 112m，出口段约长451m，长度总计为1 972m。导流洞平面位置见图1。

2 数值模拟过程

本例采用数值模拟软件TOUGH2进行计算。软件按模块化程序设计，各子模块分别用于解决不同组分地下水运移问题。其中子模块EOS9可用于计算饱和非饱和地下水流模型。本文采用可视化软件Petrasim作为TOUGH2的前处理工具。

2.1 空间离散

网格剖分大小主要考虑以下几个因素:导流洞尺寸与开挖速度，断层宽度与走向，以及计算资源占用等。本文采用规则矩形网格进行剖分，x、y与z轴分别长17．5，10，22．5m。网格总数共计40 ×40 ×180=288 000(图2b)。网格岩性分区与赋值可以利用Petrasim提供的内部边界工具进行设置。导入地层高程数据后，剩余的活动网格总数为153 216(图2a)。其中，4号与5号导流洞分别由184个与210个网格表示。

图2 利用Petrasim软件进行网格剖分Fig.2 Spatial discretization in Petrasim

2.2 网格命名

TOUGH2对输入文件的格式要求非常严格，网格由占5个字符的命名区分。由Petrasim导出的TOUGH2输入文件中，网格按10进制数字命名，即从数字00001依次向下编号。大于99999的网格，TOUGH2将无法正确读取。

本文编写了一个简单的命名转换工具，将10进制数字命名更换为24进制。如原记为100000的网格更名为075EG，此时命名只占5个字符。由Petrasim生成的153216个网格均转换为24进制命名后，输入文件格式完全符合TOUGH2要求，可以正常读取计算。采用这种方法，可避免对TOUGH2源程序的修改，同时有效拓展了可视化软件Petrasim的应用能力。

2.3 初始条件与边界条件

研究区西侧金沙江为第一类边界条件，根据上下游水位按照水力坡度插值;南部和北部边界为隔水边界;东侧右岸山体内部边界距河床中轴线约500m，其水位由各勘探剖面水位内插得到。底部作为隔水边界，顶部为降雨入渗边界。在加入导流洞之前，计算初始流场，结果用作下一步计算的初始条件。

导流洞作内边界条件设置，在计算过程中保持恒压。TOUGH2提供了两种方式设置恒定压强。第一种方式为:给定网格一个极大体积，通常使用1．0×1050m3。被赋值极大体积的网格，仍然参与程序计算。在计算时，周围网格对其造成的影响均被极大体积抵消，相当于该网格上的变量均保持不变。

另一种方式为:设置网格状态为非活动网格。非活动网格通常被单独列于网格列表文件的末尾，由一零行间隔。通过这种方式设置的恒定网格，其变量始终保持不变。应用中推荐使用第二种方法，因为此时恒定网格不参与计算，可以节省一定的计算时间和资源。

2.4 混凝土衬砌

导流洞施工过程中，为缩短工期，通常适时进行混凝土浇筑与开挖的平行作业。导流洞断面混凝土衬砌，配合工程初期的锚喷支护，可增强围岩稳定性，降低洞壁渗水能力[9]。

TOUGH2中相邻网格的关系由连接唯一确定。每一个连接中包含以下信息，相邻网格中心到交界面的距离，交界面的面积，网格中心连线与重力加速度矢量方向的夹角等。TOUGH2初始化阶段将读取所有网格连接，然后计算通过这些交界面的流量通量。当程序没有读取到某一连接，便不计算通过该界面的流量。假设混凝土衬砌完成后，导流洞与围岩间没有任何流量通量。于是，可以将这些连接内容从输入文件中删除，实现混凝土衬砌的模拟效果。

2.5 模拟流程控制

导流洞施工过程模拟由一系列施工步骤组成，每个施工步骤内向前开挖一定距离。各步开始计算之前，根据情况最多需要完成4组设定。首先，将上一步的计算结果转换为该步计算的初始条件;其次，导流洞向前开挖一定长度，即将该部分网格设置为内边界条件;然后根据需要，落后开挖段一定间距的导流洞网格，进行混凝土衬砌作业，即将该部分网格与围岩网格的连接从输入文件中删除;最后，设置输出选项。模拟流程示意详见图3。

图3 施工过程模拟控制流程Fig.3 Flowchart of the automated excavation simulation system

模拟过程中相邻施工步之间的设定由程序TUNL完成，该程序由笔者使用Fortran语言编写。前3组设定均针对输入文件进行操作，如初始条件转换的工作需要更新保存初始条件的INCON文件，内边界条件设置与网格连接删除的操作需要修改MESH文件。4组设定的具体信息保存在单独的施工文件中，每一个施工步骤内都需要准备一份施工文件。这一系列文件可以完整描述导流洞的施工过程。通过一系列连续的施工控制文件，可以方便地修改施工方案;同时，多条导流洞同时施工亦不影响。整个模拟计算过程可以通过batch文件自动控制。涌水量计算结果输出保存至单独的文件中。

3 导流洞涌水模拟

3.1 由入口开挖施工方案

本例主要用于检验模拟施工流程的可行性，两条导流洞施工方案相同并同时进行。具体方案为:由导流洞入口开始挖掘，每步向前开挖40m。同时落后开挖段40m，已建导流洞洞壁进行混凝土衬砌。4号导流洞按40m长度共分为44段，为完成最后两段的混凝土衬砌，共需要计算46个施工步。同理，5号导流洞相同条件下共需计算52个施工步。两条导流洞同时施工，整个工程完工时间以5号导流洞为准。

每个施工步的模拟时间为半个月，即施工速度为每月开挖80m，工程建设总共耗时780d。假设整个施工过程未遇突发状况，始终按照该速度进行。以导流洞入口为起点，记导流洞不同位置距入口距离为x，绘制导流洞路径不同位置处涌水量(图4)。

图4 施工过程中导流洞各侧洞壁涌水量及总涌水量沿导流洞路径变化趋势Fig.4 Water inflow rate from different sides of wall along the entire tunnel alignment

由图4可知，涌水集中发生于4号导流洞300～800m段与5号导流洞500～1 000m段。该段途经渗透性较好的分区 V，即揭露地层 P2β53，P2β43及 P2β13。此外，突发大量涌水发生于断层位置，尤其在断层F17处，两条导流洞均出现涌水量最大值。4号导流洞涌水量最大达到 119．6m3/d，5号导流洞最大值为93．8m3/d。

导流洞施工作业面上涌水主要来自左右两侧洞壁，上下两侧洞壁仅在断层位置对导流洞涌水有一定贡献。断层走向均与导流洞路径斜交，左右两侧洞壁穿过断层并发生突发大量涌水的时间一前一后。由于本例设计两条导流洞按相同方案同时由入口开挖，进入中部与河流平行段后，4号导流洞施工面略领先于5号导流洞(图(5)b，c)。5号导流洞左侧洞壁紧邻4号导流洞已建部分，由于流场发生改变，来自该侧的涌水贡献也相应受一定影响。

图5 导流洞所在横切面在施工过程各时刻压强分布Fig.5 Pressure distribution at different time steps

3.2 未考虑施工方案

为比较应用施工方案后对涌水模拟的影响，本文计算了未考虑施工过程的涌水结果。此时，假设两条导流洞均已建成，作为内边界条件加入模型。为计算涌水，整个导流洞没有进行混凝土衬砌处理。模拟时间设为半个月，计算结果与前例比较，见图6。

图6 已考虑与未考虑开挖过程时的总涌水量沿导流洞路径变化趋势Fig.6 Water inflow rate calculated with or without considering the excavation process

由图6可知，未考虑施工方案时的模拟结果明显低估了导流洞的涌水量。4号与5号导流洞的涌水量，除断层 F17位置外，均低于20m3/d。需要说明的是，此时也为两条导流洞同时修建，可能在一定程度上对彼此的涌水量产生影响。

4 结论

(1)基于白鹤滩水电站右岸渗流场数值模型，设计实现了考虑施工过程的导流洞涌水模拟。计算结果显示，在导流洞轴线两侧形成水位降落，使天然渗流场改变，并形成集水廊道。根据数值模型计算结果，涌水集中发生在渗透性良好的分区V。此外，断层附近是涌水量突增的主要发生地点。由于地层P2β4与P2β3的渗透性对导流洞的涌水量影响显著，导流洞开挖揭露该岩层段时需要做好防渗与排水准备。研究区内5条导水断层的渗透系数较大，易形成局部涌水喷涌，超出正常排水设施能力。断层部位的突然涌水，对导流洞总涌水量的贡献很大，所以断层带渗透系数值的确定对导流洞总涌水量的预测至关重要。

(2)基于TOUGH2建立动态模拟系统，可以灵活控制导流洞工程施工过程并模拟预测该过程中的涌水量大小。模拟系统由一系列连续的施工步组成，每一步完成诸如导流洞开挖，混凝土衬砌，初始条件转换等任务。任务保存于一系列施工文件中，通过相应修改，可以实现多种复杂施工方案。本文以入口开挖出口结束的方案为例，假设两条导流洞按照相同不变的开挖方案同时进行，计算结果显示出这一方法的可行性。通过比较，未考虑施工方案时的模拟结果将严重低估导流洞的涌水量大小。由于白鹤滩右岸设计建造两条导流洞，具体施工过程情况复杂，对两条导流洞之间可能存在的影响，需要进一步的研究。

(3)导流洞开挖位置位于正常河水位以下，在地下水流量及水力梯度增大时易形成涌水、突水现象，严重时会导致隧道塌方等事故，延缓施工进度。对导流洞开挖过程中的涌水量进行数值模拟，及对可能发生涌突水点的断面进行涌水量大小预测，可以为导流洞安全施工及防渗排水设施计划提供科学指导。

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