高压引水隧洞渗流分析研究

□刘琳琳□董永霞□王耀军

（1商丘市水利建筑勘测设计院；2黄河勘测规划设计有限公司）



高压引水隧洞渗流分析研究

□刘琳琳1□董永霞1□王耀军2

（1商丘市水利建筑勘测设计院；2黄河勘测规划设计有限公司）

摘要：应用FLAC3D程序对可卡可多辛克雷尔水电工程两条高压引水隧洞三种工况的渗流场进行了数值仿真计算，研究了高压引水隧洞采用透水衬砌设计时，渗流场中水压的变化情况。结果表明：固结灌浆对降低隧洞的渗透压力有显著效果，一定要保证灌浆深度和质量；在施工完建期和检修期，隧洞的外水压力明显大于内水压力，充水运行期内外水压差别不大；检修期，放空速度对于引水隧洞的孔压变化情况有着十分显著的影响。

关键词：水压力；渗流场；高压引水隧洞；压差

1工程概况

科卡科多-辛克雷水电工程是厄瓜多尔国内特大型水电项目，装机1500 mW，距离基多市约140 km的纳波省的可卡科多河。水库最高发电水位1231 m，正常发电水位1229.50 m，最低发电水位1216 m。水电站引水隧洞系统由上平段、竖井段、下平段三部分组成，下平段后半部分采用钢板衬砌，其余均为钢筋混凝土衬砌。钢筋混凝土衬砌段隧洞内径5.80 m，混凝土衬砌厚度60 ，90 cm，内水最大静水头超过600 m，为高压引水隧洞。

2计算原理和方法

FLAC3D程序中的流动模型与力学模型同时建立，模型考虑了流体与岩体之间的相互作用，既可以计算完全饱和情况下的流动，也可以模拟具有自由水面的流动。

3计算区域及模型建立

图1　三维渗流数值计算区域图

场区渗流场数值计算模型的坐标系为：X轴与1#引水隧洞下平段洞轴线重合，指向下游方向为正；Z轴为铅直方向，向上为正，为模拟区域的实际高程；Y轴与1#引水隧洞下平段洞轴线垂直，偏北方向为正方向；坐标原点取在1#引水隧洞下平段入口断面的中心点。进行渗流数值模拟计算时对其中的两条影响较大的破碎带加以考虑具体三维渗流数值计算区域见图1。渗流计算监测断面布置位置详见表1。

表1　渗流计算监测断面布置位置表

4高压引水隧洞渗流场计算分析

渗流计算包含施工完建期、充水运行期和检修期三种工况。

4.1隧洞施工完建期渗流场计算分析

施工完建期的渗流场分析分有固结灌浆圈和无固结灌浆圈两种，1#引水管道和2#引水管道在竖井段及下平段的渗流场分布规律基本相似。以1#洞为例，如图2～5所示，引水隧洞附近区域的渗流场比原地下渗流场有变，无固结灌浆圈时所产生的影响比有固结灌浆圈时的变化更加显著。

在施工完建期，引水隧洞未充水，衬砌内表面孔压为0，衬砌外表面孔压和固结灌浆圈外表面孔压主要受到原地下渗流场的影响。对于高程在地下水位以上的区域，衬砌外表面孔压与固结灌浆外表面孔压均为0。对于布置在竖井段而其高程又低于该处地下水位区域，衬砌外表面孔压与固结灌浆外表面孔压随埋深增加而不断增大。对于下平段区域，衬砌外表面孔压和固接灌浆外表面孔压随地下水位的下降而减小。对于同一断面，尤其是竖井下半段与下平段位置，对于衬砌外表面的孔压值，有固结灌浆圈时比没有固结灌浆圈时的孔压降低了很多，这说明固结灌浆起到了良好的阻渗作用。

4.2隧洞充水运行期的渗流分析

正常蓄水条件下，上游边界处水位为123 m（正常蓄水位），下游边界水位为680 m。充水运行期，衬砌浇筑及固结灌浆等均全部完成。

高压隧洞充水后，衬砌、灌浆圈等受到内水压力作用明显，与施工期的渗流场分布情况相比，此时内水作用的影响非常显著，尤其是对于竖井段和下平段隧洞内水压力较大的断面。

在运行期，混凝土衬砌开裂，内外压差相差不是很大，孔压由衬砌内表传递到衬砌外表，其水头大约有3～9 m的下降。衬砌外表面与固结灌浆圈外表面孔压差别较大，孔压由衬砌外表传递到固结灌浆外表，水头大约有67～220 m的下降。在断裂带附近固结灌浆内外表面水头差达到300多米，这主要是由于受到断层的影响，固结灌浆外表面孔压较低的缘故，因此该区域的灌浆深度应适当增加，降低隧洞单位面积上的渗漏量。

4.3隧洞检修放空期的渗流计算分析

4.3.1单管检修

在2#引水隧洞检修放空的过程中，2#引水管道各典型断面处衬砌内表面位置的孔压随放空时间逐渐降低为0，衬砌外表面孔压也随之逐渐消散，受固结灌浆圈的影响，固结灌浆外表面位置的孔压虽也有所降低，但是降低的幅度较小。在2#引水隧洞完全放空时，2#引水管道衬砌外表面孔压相对于放空初始时刻，其消散的程度达到了21%～59%左右，而固结灌浆外表面的孔压变化很小，其消散的程度还不到2%。

在放空检修的过程中，衬砌内外表面和固结灌浆内外表面的孔压差经历一个十分明显的变化过程，随着衬砌外表面孔压的不断消散，衬砌内外表面孔压差也会随之不断降低，因此检修阶段的水力坡降为瞬时值，不是长期稳定值，对衬砌结构与围岩固结灌浆圈的稳定性进行分析时要考虑到这一点。

2#引水隧洞检修放空并没有对1#引水隧洞的渗流场产生太大影响，详见图7。

4.3.2双管检修

在放空的整个过程中，2#引水隧洞衬砌内外表面（外压大于内压）最大压差为387.88 m，1#引水隧洞衬砌内外表面最大压差为384.61 m，出现最大压差的位置相同，且两条引水洞之间的相互影响很小。

4.3.3放空速度对孔压变化的影响

图2　初始地下水渗透孔压和水位分布图

图3　整体渗流压力分布图（有固结灌浆圈）/pa

图4　局部渗透压力及流速矢量分布图（有固结灌浆圈）/Pa

图5　局部渗透压力及流速矢量分布图（无固结灌浆圈）/Pa

图6　2#引水隧洞检修期竖井段渗流场图

图7　双管检修期阶段竖井段渗流场图

以上结果是按照3 m/h的放空进行的，为了定量分析竖井2#引水隧洞1#引水隧洞2#引水隧洞1#引水隧洞段放空速度对于引水管道衬砌内外表面孔压的影响，将竖井段放空速度设定为4 m/h，因1#引水隧洞和2#引水隧洞相互影响较小，针对单管放空的情况进行计算。

当竖井段放空时间由3 m/h改为4 m/h时，固结灌浆内外表面的水力坡降变化速度相对减小，大小也有所降低，而衬砌内外表面水力坡降的变化速度则迅速增大，且其最大值也有较大程度的提高。当竖井段放空速度为3 m/h时，衬砌内外表面孔压最大差值为387.88 m，水力坡降的最大值为646.47；竖井段放空速度为4 m/h时，衬砌内外表面孔压最大差值为422.08 m，水力坡降的最大值为703.47，出现的位置和时段基本相同。

由此可见，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，在实际检修放空过程中需要特别注意。

5小结

根据高压隧洞不同工况下渗流场的分析，对高压隧洞设计和运行施工提出如下建议：一是固结灌浆措施是保证高压引水隧洞结构安全的关键所在，细致周密的灌浆圈不但可以减少运行期的内水外渗流量，减小隧洞沿线山体由于地下水位升高而发生滑坡破坏的可能，而且在检修期间，可以作为衬砌的一道挡水屏障，减少作用于衬砌外表面的水压力，避免衬砌发生外压破坏。在保证灌浆深度的同时，加强灌浆圈密实性的检查，做好灌浆规划与质量检查，避免漏灌；二是检修期间，衬砌内外表面和固结灌浆内外表面将存在较大的压差和水力坡降，这对于衬砌和固结灌浆结构的稳定性具有十分重要的影响。同时，放空速度对于引水隧洞的孔压变化情况有着十分显著的影响，放空速度越大，放空过程中出现的衬砌内外表面最大压差和最大水力坡降也相应增大，因此，在实际检修放空的过程中，对于放空的速度，应当进行严格的控制。

（责任编辑：刘长垠韦诗佳）

中图分类号：TV223.4

文献标识码：A

文章编号：1673-8853（2016）05-0064-03

作者简介：刘琳琳（1982-），女，工程师，长期从事水利水电工程设计工作。

收稿日期：2016-01-05