那邦水電站引水隧洞滲流分析

孔令學(xué)，劉澤雄，寧 宇

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

那邦水電站引水隧洞滲流分析

孔令學(xué)，劉澤雄，寧 宇

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

在分析那邦水電站引水隧洞水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)實測滲流量，以代表剖面反算得到圍巖的平均滲透系數(shù)。各工況滲流場計算分析表明，Ⅲ類圍巖洞段在沒有襯砌的條件下，地下水位線不會因外水內(nèi)滲而明顯降低，發(fā)電流量不會因內(nèi)水外滲產(chǎn)生較大損失，滲流量和圍巖滲流梯度均處于可接受的范圍內(nèi)，為取消Ⅲ類圍巖洞段襯砌提供了依據(jù)。

引水隧洞；滲流；地下水位線；流量損失；那邦水電站

0 引 言

那邦水電站位于云南省德宏州盈江縣境內(nèi)勐乃河干流上，引水隧洞總長9 717 m，處于自然保護區(qū)地面以下，主要采用全斷面TBM掘進。設(shè)計開挖斷面圓形洞徑4.5 m，最大內(nèi)水壓力91.6 m，機組引用流量34.1 m3/s，額定水頭624.8 m，總裝機180 MW。隧洞沿線地形起伏較大，圍巖巖性主要為片麻巖，局部夾片巖。沿線褶皺和斷層較發(fā)育，主要褶皺為瓦蕉背斜，主要斷層為馬蹄口斷裂。Ⅲ類圍巖洞段長4 169 m，占42.9%[1]。目前，DL/T 5195—2004《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》對Ⅲ類圍巖隧洞襯砌與否沒有絕對要求，而本工程Ⅲ類圍巖隧洞襯砌與否對工程直接投資和控制工期影響均較大。

如果Ⅲ類圍巖隧洞不襯砌，就要對以下3個問題進行分析：①隧洞沿線位于自然保護區(qū)內(nèi)，是否會導(dǎo)致地下水位降低，從而對保護區(qū)森林植被造成不利影響？②是否會造成發(fā)電流量的外滲損失，減少發(fā)電效益？③Ⅲ類圍巖洞段周圍地下水位線較高(位于洞頂以上73～607 m)，檢修期是否會在洞壁周圍形成較大的水力梯度，影響圍巖穩(wěn)定？本文選取有代表性且簡便可行的二維模型進行數(shù)值模擬，為Ⅲ類圍巖隧洞襯砌與否提供依據(jù)。

1 代表剖面選取

由于隧洞較長，占地范圍大，沿線地面起伏較大，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給有限元建模和邊界條件的確定帶來了很大的難度[2-3]。因此，在技術(shù)可行的前提下，需要選取能夠代表隧洞沿線水文地質(zhì)的典型斷面進行計算分析，以達到準確度與效率相平衡的效果。引水隧洞滲流計算剖面位置見圖1。代表剖面描述見表1。

圖1 引水隧洞滲流計算剖面位置

表1 代表剖面描述

本工程引水隧洞全洞打通歷時約2年。在開挖過程中，已開挖斷面經(jīng)歷了枯季和雨季的交替作用。據(jù)實際量測，下游段長2 717 m(樁號7+000～9+717)的范圍內(nèi)枯季滲流量為0.12 m3/s，雨季為0.26～0.28 m3/s。為獲得可靠的滲透系數(shù)指標，在該范圍內(nèi)根據(jù)不同圍巖類別選擇3個代表剖面(1—1、2—2、3—3剖面)進行反算，得出Ⅲ類圍巖的滲透系數(shù)后，即可在樁號7+000前選擇Ⅲ類圍巖洞段代表剖面(4—4、5—5剖面)進行滲流分析。

2 工況分析

引水隧洞從建設(shè)到運行維護期間，襯砌和圍巖處于不同的受力狀態(tài)。對滲流而言，主要是會遇到不同的水力邊界條件，這些條件下的滲流狀況差異很大。計算工況主要分為施工期、運行期、檢修期(見表2)。其中，運行期和檢修期有襯砌，但施工期襯砌未完成，假設(shè)無襯砌。

表2 計算工況

水工隧洞外水內(nèi)滲和內(nèi)水外滲的最大可能滲流量是水工設(shè)計的關(guān)鍵問題[4]。針對這個問題，本文分別考慮了2種極端情況，對前者，假設(shè)每m2地面雨季有1×10-6m3/s的滲水補給，從而地下水位線會有所抬升，直至到達地表；對后者，假設(shè)某特枯季節(jié)，地下水沒有補給，水位線已降低至隧洞底板以下。

不論是枯季還是雨季，地下滲流場總是處在動態(tài)變化之中，需采用非穩(wěn)定滲流計算[5]，初始地下水位線均根據(jù)地質(zhì)剖面確定。計算結(jié)果中，考慮運行期時間較長，而檢修期時間較短，特取持續(xù)運行100 d的滲流場為運行期代表狀態(tài)、取持續(xù)10 d洞內(nèi)無水的滲流場為檢修期代表狀態(tài)。此外，由于施工期較長，也取持續(xù)施工100 d時的滲流場為施工期代表狀態(tài)。

3 反算滲透系數(shù)

由于隧洞埋深大，穿越平面范圍也大，如果不同深度的不同圍巖類別均要通過試驗獲得滲透參數(shù)，工作量將十分巨大，且試驗成果與實測流量不一定能形成對應(yīng)關(guān)系。因此，根據(jù)實測流量，反算得到平均滲透參數(shù)是技術(shù)可行、降本增效的好方法。

對樁號7+000～9+717范圍內(nèi)的1—1、2—2、3—3代表剖面進行反算，得出的滲透系數(shù)見表3。

表3 反算得出的各類介質(zhì)滲透系數(shù)

注：①據(jù)現(xiàn)場觀察，處于Ⅳ類圍巖地區(qū)的瓦蕉背斜洞段滲水量大，說明滲透性強，故取值相對較大；②引7+000下游洞段Ⅲ類圍巖節(jié)理裂隙傾角(約75°)較上游段(約50°)大，對隧洞滲流影響較大，故滲透系數(shù)取值也較大。

4 Ⅲ類圍巖洞段滲流分析

計算所得的調(diào)壓室上游側(cè)Ⅲ類圍巖剖面的單寬滲流量和最大滲流梯度見表4。從表4可知，滲流場(不襯砌與襯砌相比)有以下規(guī)律：

(1)各工況下，前者的滲流量均較后者大，為后者的15～26倍。前者最大滲流梯度較小，符合一般規(guī)律。

表4 Ⅲ類圍巖洞段滲流分析結(jié)果

注：負號表示外內(nèi)水外滲。

(2)最大外水內(nèi)滲流量均發(fā)生在雨季檢修工況。前者滲流量雖明顯大于后者，為后者的23倍，但即使如此，據(jù)前者的絕對單寬滲流量6.44×10-5m3/s推算，Ⅲ類圍巖洞段(長4 169 m)總內(nèi)滲流量為0.268 m3/s。因該區(qū)常年雨量豐沛，所以該滲流量并不大[6]，不存在大量地下水滲入隧洞，致使自然保護區(qū)內(nèi)地下水位大幅下降的可能。

(3)內(nèi)水外滲發(fā)生在運行期枯季工況。前者滲流量約為后者的15倍，但據(jù)前者-3.34×10-5m3/s的外滲流量推算，Ⅲ類圍巖洞段總外滲流量為0.139 m3/s，占引用流量34.1 m3/s的0.4%，外滲流量也不大。考慮本區(qū)幾乎沒有特別干旱的季節(jié)，不會因引用流量發(fā)生明顯的滲漏損失而降低發(fā)電效益。

(4)前者在雨季運行期的內(nèi)滲流量為后者的26倍，雖絕對量少，但可一定程度利用圍巖儲存的水量增加發(fā)電效益。假設(shè)Ⅲ類圍巖洞段滲流量均勻分布，則可利用圍巖滲水0.104 m3/s，占引用流量的0.3%，即雨季可增加約0.3%的發(fā)電可供用水。

(5)前者發(fā)生在圍巖邊壁的最大滲流梯度為9.94，僅為后者(169.43)的5.9%，且一般認為完整性較好的新鮮巖體允許滲流梯度至少在20以上，完整性稍差的部位具有“滲壓釋放”效應(yīng)，實際滲流梯度會大幅下降[7]。故不襯砌圍巖滲流梯度是可以接受的。

典型工況滲流場等勢線和地下水位線分布見圖2。從圖2可知，襯砌與不襯砌相比，雨季對滲流場的影響差別不大，枯季也是如此，且影響范圍較小。在特別干旱的季節(jié)，因隧洞對周圍巖體有一定的水量補給，洞線附近地下水下降趨勢得到了緩解，對維持地下水位的穩(wěn)定，保護森林植被有一定作用。

隧洞中部(4—4剖面)和首部(5—5剖面)的Ⅲ類圍巖洞段，滲流規(guī)律與調(diào)壓室上游側(cè)(1—1剖面)Ⅲ類圍巖洞段基本類似，不再贅述。

圖2 Ⅲ類圍巖洞段滲流等勢線(單位：m)

5 結(jié) 語

(1)Ⅲ類圍巖不襯砌時滲流絕對量不大，不存在大量地下水滲入隧洞，使保護區(qū)地下水位大幅降低的可能，相反能在特別干旱時期對地下水進行一定的補給，有利于穩(wěn)定地下水位，保護森林植被；也不會因引用流量向周圍巖體發(fā)生明顯的滲漏損失而降低發(fā)電效益，相反，可以少量利用地下滲水，增加發(fā)電收益。Ⅲ類圍巖不襯砌時最大滲流梯度較小，僅為9.94，不易產(chǎn)生滲透破壞，洞壁穩(wěn)定有保障。綜合而言，從滲流角度出發(fā)，Ⅲ類圍巖洞段不必襯砌。

(2)經(jīng)核算，取消Ⅲ類圍巖洞段混凝土襯砌后可節(jié)約土建直接投資1 277萬元，減少控制工期12個月，且洞徑擴大，水頭損失減小4.52m，增加發(fā)電水頭0.72%；雨季還能少量利用地下滲水，增加約0.3%的可供用水量，具有可觀的近期和遠期經(jīng)濟效益。

(3)在隧洞較長、占地范圍較大、沿線地面起伏、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、三維有限元建模和計算難度較大的情況下，根據(jù)實測滲流量，以代表斷面反算得到圍巖平均滲透系數(shù)的方法是一種技術(shù)可行、快速有效的方法，可在其他類似工程中使用。

[1]寧宇， 孔令學(xué)， 劉澤雄， 等. 那邦水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定及襯砌結(jié)構(gòu)深化研究報告[R]. 昆明： 中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司， 2011．

[2]徐鐵錚. 陜西引紅濟石工程高外水壓力隧洞中地下水三維滲流計算[J]. 地下水， 2009， 31(1)： 6-8．

[3]許國安， 邵宇. 錦屏二級水電站引水隧洞三維滲流分析[J]. 長江科學(xué)院院報， 2009， 26(10)： 18-22．

[4]方鏡平. 壓力隧洞內(nèi)水外滲的滲流-應(yīng)力-開裂耦合分析[D]. 杭州： 浙江大學(xué)， 2011．

[5]中仿科技有限公司. GeoStudio實例教程[M]. 上海： 中仿科技有限公司， 2007．

[6]毛昶熙. 滲流計算分析與控制[M]. 2版. 北京： 中國水利水電出版社， 2002．

[7]徐志英. 巖石力學(xué)[M]. 3版. 北京： 中國水利水電出版社， 1993．

(責任編輯 楊 健)

Seepage Analysis of Headrace Tunnel of Nabang Hydropower Station Project

KONG Lingxue, LIU Zexiong, NING Yu

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

According to in-situ seepage quantity measurement, the average permeability of surrounding rock is got by inversing the seepage data of typical cross sections of long headrace tunnel in Nabang Hydropower Station project based on hydrogeological condition analysis. The calculation results of seepage field in different operation conditions indicate that, for tunnel sections with Class-III surrounding rock, the underground water level will not have a obvious lower and the diversion flow will not have a greater loss as seepage water from surrounding rock to tunnel or tunnel to surrounding rock when no lining in tunnel. The seepage quantity and the seepage gradient of surrounding rock are within acceptable range, which support to cancel the linings of tunnel sections in Class-III surrounding rock area．

headrace tunnel; seepage; underground water level; water loss; Nabang Hydropower Station

2016-04-25

孔令學(xué)(1983—)，男，云南玉溪人，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作．

TV223.4(274)

A

0559-9342(2016)11-0047-03