自一里电站地下硐室涌突水危险性分析

张世殊，刘希，施裕兵，许模，彭仕雄，康小兵

自一里电站地下硐室涌突水危险性分析

张世殊1，刘希2，施裕兵1，许模2，彭仕雄1，康小兵2

（1．中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2．成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059）

地下工程涌突水是影响工程施工及运行的一个重要问题，目前对水电站地下工程涌突水危险性评价的研究较少。本文以自一里水电站为例，参考已有且较为完善的岩溶隧道涌突水及非可溶岩长深隧道涌突水的危险性评价方法，从地下水通道和地下水来源(补给)两个涌突水控制因素入手，综合分析各项要素，对自一里电站地下硐室的涌突水危险性进行初步分区。结果表明：自一里电站厂址区整体涌突水危险性较低，但在局部地段有发生涌水的可能。厂址区硐室按照涌突水危险性高低可分为较高危险区、中等危险区和低危险区。

岩体渗透性；地下水来源识别；涌突水危险性分析；自一里水电站

水利水电工程的地下洞室多数地质条件复杂多变，施工中的扰动极易导致涌突水灾害发生，严重影响施工安全和施工进度，并可能引发次生地质环境问题[1]。近年来，随着西南地区多个水利工程的建设和运行，地下硐室涌突水问题成为确保施工和运行安全需要解决的重大难题之一[2]。

国内外学者采用多种数学方法来建立岩溶涌突水灾害风险的预测及评估模型，形成了一系列定性或定量的评价理论[3]。如韩行瑞提出了隧道岩溶涌水专家评判系统，从隧道揭露岩溶特性的4个方面对突涌水灾害进行评判[4]；朱超综合选取了灾害发生的地质特征指标和地下水涌水特征指标，建立了岩溶灾害预警专家系统[5]；杨艳娜选取了岩石可溶性、地质构造因素、地表汇水条件、地下水循环交替条件和隧道埋深与地下水位的关系等5个基本因素，建立了西南山区岩溶隧道施工期涌突水灾害危险性评价系统[6][7]。针对非可溶岩地区的涌突水问题，钟金先，董海宝选取了岩石的渗透性和力学性质、地质构造条件、地表汇水条件、隧道埋深与地下水位的关系和最大主应力与主要结构面的关系等5个评价指标，分别对巴朗山隧道和高黎贡山越岭隧道进行涌突水危险性评价[8][9]；许增光等选取了地层岩性、岩层倾角、不良地质、地表汇水条件、隧洞底部水头压力、岩性接触带及节理裂隙发育程度与洞身的结合性等7个指标对非可溶岩长深隧道进行涌突水危险性评价[10]。

目前的涌突水危险性评价对象多是岩溶地区的长深隧洞，偶有非可溶岩地区的隧道。在水电工程中，一般是从围岩透水性和地下水渗漏两个方面评价施工对地下工程的影响。专门分析地下工程涌突水危险性的文章较少。本文以自一里水电站为例，结合上述评价体系，尝试通过综合岩体裂隙发育和裂隙地下水补径排的特征，对厂址区地下硐室的涌突水危险性进行初步分区分析，以期为相关研究及水电工程的安全施工运行提供参考。

1 工程概况

自一里水电站[11]为火溪河“一库四级”梯级开发方案的第二级引水式电站，装机容量120MW，发电引用流量30.4m3/s，设计水头445.0m。地下厂房洞室布置在右岸。电站厂址区山岭海拔高度2 500～4 000m，沟谷切割，具中高山～高山峡谷地貌，其高程较高地带基岩出露完整，谷坡陡峻，植被茂盛。火溪河自西北向东南流经厂址区，左岸Ⅰ级阶地发育，地形开阔。两岸均发育支沟，沟谷切割相对高差500～1 000余米。沟内常年有水，流量较大。厂址区主要分布第四系崩坡积物和印支期二云母花岗岩体夹变质砂岩捕虏体（图1），左岸岸坡1 650m高程以下广泛分布崩坡积成因含泥块碎石、块碎石土层；右岸岸边在PD4硐上游和PD5硐1 573m高程以上为裸露基岩分布区，其坡脚地带多为崩积成因含泥碎块石层覆盖。在高程更高地区，分布有震旦系上统变质石英砂岩（板岩）捕虏体。在低高程平硐中，变质砂岩发育面积较多，较高高程的平硐中花岗岩发育面积较多，其中，右岸PD6平硐完全发育二云母花岗岩体，没有见到砂岩捕虏体。厂址区地下水可以划分为：崩、冲积碎块砂卵石层孔隙水、花岗岩和变质砂岩裂隙水。地下平硐内主要出露花岗岩和变质砂岩裂隙水，岩体含水贫乏，主要出水点多以滴水和线状流水为主，为脉状裂隙水。

图1 自一里水电站厂址区综合水文地质图（图改自梁杏[12]）

1.主要出水点及编号；2.线状出水点；3.地下水流线；4.来源较高处地下水流线；5.平硐编号；6.岩性分界线；7.花岗岩(含变质砂岩捕虏体)；8.变质砂岩；9.花岗岩变质砂岩交替

2 平硐地下水通道

2.1 平硐裂隙发育特征

厂址区裂隙较发育，以NW向和NE向裂隙最为发育，根据区内所测裂隙资料[12]统计，区内裂隙倾角的概率统计显示，倾角基本呈正态分布，区内裂隙的优势方向主要有以下四组：第一组：NE5°～70°∠45°～80°，第二组：SE120°～170°∠35°～80°，第三组：SW215°～250°∠15°～30°（缓倾角），第四组：SW215°～250°∠70°～85°（陡倾角）。

各平硐花岗岩裂隙发育优势方向不是很明显，裂隙组数较多，这与花岗岩岩体较坚硬不易受构造应力影响，成岩裂隙受侵入状态有关。平硐内变质砂岩裂隙通常发育2~3组，受砂岩产状控制，PD4砂岩的优势裂隙发育方向有两组：①倾向NE15°~50°，倾角30°~60°；②倾向NW295°~310°，倾角50°~60°。PD5砂岩的优势裂隙发育方向两组为：①倾向N E 30°~40°，倾角40°~60°；②倾向SE160°~SW200°，倾角10°～15°。PD7砂岩的优势裂隙发育方向有3组为：①倾向NE10°~80°，倾角15°～90°；②倾向SW220°~250°，倾角5°~30°；③倾向NW285°~355°，倾角50°～90°。

从迹长分布来看，厂址区以极短、短裂隙为主，迹长主要分布在0.5m~3m之间。经统计分析迹长与裂隙倾向无太大的关系，与裂隙倾角关系密切。其中陡倾角裂隙的迹长分布集中，较大迹长为3.5m，平均迹长为1.9m；缓倾角的迹长分布较分散，较大迹长达7.7m，平均迹长为3.8m。厂址区裂隙迹长随埋深加大，呈减小趋势。埋深小于220m范围，迹长变化较大，较大迹长可达5~7m；当埋深大于250m，裂隙迹长多小于3m。

厂址区裂隙间距呈正态分布特征，间距基本分布在0.2~2.2ｍ，裂隙密度约为0.5～3.5条/m属于中等-宽间距。硐内裂隙测量以构造裂隙为主（显裂隙，成岩的闭合或隐性裂隙不测量）。量测的最小隙宽为0.02mm (塞尺的最小值)，最大可达到25mm。经统计小于0.1mm隙宽的裂隙占全部裂隙的42%左右，0.1～1.0mm的隙宽约占46%，大于1.0mm的隙宽占12%。小于0.5mm裂隙占78.8%。总体属密闭型裂隙。

厂址区岩体裂隙发育程度较低，线裂隙率小于2.5‰的测点占85％，裂隙率在2.5‰～4.5‰的占11％，大于4.5‰占4％。线裂隙率近似服从对数正态分布特征。裂隙率大于1‰的测点位置分布，大多位于层内层间错动带。

2.2 岩体渗透性

在电站PD7平硐0+502及支硐502+55处布置了11个钻孔，进行常压压水试验并对实验得到的吕宋值（Lu）进行分析[11]。岩层的Lu值主要在0～16Lu之间，有4个压水段在35～84Lu之间。经统计（图2），其中Lu值≤4占84.8%，Lu 4~10占7.6%，Lu 10~16占2.5%，Lu >16占5.2%。通过对小Lu值（小于4）的统计分析（图3），小于1的占65%，Lu的频率随Lu值的增大呈指数降低。整体上，岩体的渗透性差。综合来看，厂址区裂隙岩体渗透性较低，出现涌水或渗漏的可能性相对较低。

图2 全部Lu值统计直方图

图3 小Lu值0-4频率分布图

根据平硐裂隙发育特征及压水试验结果分析，将自一里电站厂址区岩体渗透性划分为四个区，各区的主要特征见表1。厂址区岩体砂岩的渗透性比花岗岩要高，受变质砂岩分布的影响，PD7的I区分布范围较大，而PD6的范围最小；在III区砂岩分布范围较大时，接触带处的岩体渗透性相对较大，就会有II 区局部出现；平硐主要出水点均分布在I、II区，渗透性较强带。

表1 厂址区岩体渗透性分区说明

备注：Ⅰ中等透水性;II.弱透水性;III微透水性;IV.基本不透水；k0.平均综合渗透系数；k1.平均渗透主值。

3 地下硐室地下水来源

分别对平硐的裂隙水（分布见图1），厂址区火溪河和支沟的地表水，雨量站的降水等水体取水样进行水化学常规分析和D、18O同位素分析。从分析结果来看：自一里电站厂址区地下水的主要来源为大气降水。地下水离子含量不高，整体矿化度较低。部分平硐水化学特征和同位素特征与附近地表水相似，表明部分平硐裂隙水同时接受了附近河沟的地表径流补给。利用本区地表水样进行高程效应的半定量分析[13]，可得到各主要硐室的补给高程。平硐的补给高程整体相对较高，在2 200~2 700m之间。结合平硐地下水的矿化度特征;发现平硐裂隙水矿化度整体较低，径流较快。其中PD6出水点的矿化度最低，与地表水的矿化度相差不大，表明平硐地下水的径流路径和时间较短，附近区域可能存在浅部循环系统。

综合平硐水文地质调查，对平硐出水点的分布、硐温（包括水温）变化、水化学成分和同位素特征分析，可以得出各主要平硐裂隙水的补给与径流排泄特征如下：PD7平硐地下水来自较高地表的降水入渗，同时接受附近沟谷地表水补给，为远源补给。PD4和PD5平硐地下水来自较低的地表降水入渗补给；两平硐的水同时存在近源补给和远源补给的特征。PD6平硐的补给高程接近平硐本身的高程，具明显的近源补给条件；硐水矿化度和同位素特征均表明，此平硐处于浅表风化裂隙水循环带，与附近地下水形成一个浅层局部裂隙水系统。

4 地下硐室涌突水危险性分析

厂址区岩体主要由花岗岩夹变质砂岩透镜体组成，在浅表主要发育风化裂隙，受区域隆升和剥蚀作用影响，风化带深度不大；岩体的构造裂隙也不强烈，除接触带外，花岗岩和变质砂岩的裂隙张开度很小，延伸不长。厂址区裂隙水分布不均匀，水量不大。总体来看，自一里电站厂址区裂隙岩体渗透性整体较低，地下水流量较小，径流较快，发生涌突水可能性不大。但由于岩体裂隙分布不均匀，接触带较发育，裂隙深度较大，地下水径流条件较好，在强降雨或其它突发性不良地质条件影响下，地下硐室仍面临一定的涌突水危险。

厂址区4个主要平硐中硐壁均有渗水和潮湿现象，但集中涌水点多数为滴水和线状流水。一开始涌水量较大，随开挖时间的延长，水量有明显减小的特点。从平硐水样的水化学特征分析，平硐连续出水点主要集中在花岗岩与砂岩接触部位，其补给区相对较高，沿连通性好的接触带裂隙运动，矿化度较低。从平硐的硐温分析，硐温在弱风化段内随硐深的增加而降低，弱风化段以下随硐深的增加而增高；在裂隙相对较发育段，硐温受到地下水径流的影响而降低。结合前述平硐裂隙水的补径排条件及岩体渗透性特征对地下硐室的涌突水危险性进行分区分析，可大致将厂址区地下硐室分为三个区：较高危险区、中等危险区，低危险区。各分区的主要涌水特征见下表2：

表2 地下硐室涌突水危险性分区特征

5 结论

1）自一里电站厂址区裂隙岩体渗透性整体较低，地下水流量较小，径流较快，发生涌突水的可能性不大。但由于岩体裂隙较为发育，且裂隙深度较大，地下水径流条件较好，在强降雨或其它突发性不良地质条件影响下，电站地下硐室，尤其是接触带较发育带仍具有一定的涌突水危险性。

2）根据平硐地下水的来源及补径排条件，结合岩体渗透性特征对地下硐室的涌突水危险性进行分区分析，可大致将厂址区地下硐室分为三个区：较高危险区、中等危险区，低危险区。可作为施工差异化防突水措施设计的依据。

3）低危险性区的硐室出水点流量较小且出水点较少，其水源补给高程较高，径流流程较远。中等危险性区周边为标志砂岩和花岗岩接触带，区内大部分硐室渗透性较高，且硐内出水点较多，流量较大。较高危险性区处于浅表风化裂隙水循环带，区内硐室出水点流量较大其周围地下水径流流程短。

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[13] 王恒纯.同位素水文地质概论[M]. 北京：地质出版社,1991.

Analysis of the Danger of Bursting Surge in Underground Project at the Site of the Ziyili Power Station

ZHANG Shi-shu1LIU Xi2SHI Yu-bing1XU Mo2PENG Shi-xiong1KANG Xiao-bing2

(1- Chengdu Survey Design & Research Institute Co., Ltd.,China Power Construction Group,Chengdu 610072; 2-State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

This paper has a discussion on influence of bursting surge on project construction by the example of construction of the Ziyili Power Station, referring to the existing and perfect evaluation system of the karst tunnel surge and non-soluble rock and long deep tunnel surge, and starting from the two water control factors of groundwater channel and groundwater source. The results show that risk of the overall surge at the site of the Ziyili power station is low, but there is still the possibility of bursting surge in the local area. The room site can be roughly divided into high danger zone, medium danger zone and low danger area according to the risk of surge water.

rock permeability; groundwater source identification; analysis of the danger of surge; Ziyili hydropower station

2020-01-02

中国电建集团成都院科技项目（编号：P238-2014）

张世殊（1970-），男，重庆涪陵人，博士，教授级高级工程师，主要从事水利水电工程地质及岩土工程勘察工作

康小兵（1981—），男，江苏丹阳人，博士，副教授，主要从事地下水科学与工程的教学研究

P642.4

A

1006-0995（2020）01-0064-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.014