高壓隧洞內(nèi)水外滲三維有限元分析與滲透穩(wěn)定性研究

張 巍,陳云長,黃立財,劉林軍

(1.中山大學(xué) 工學(xué)院, 廣東 中山 510275; 2.中山大學(xué) 巖土工程與信息技術(shù)研究中心, 廣東 中山 510275;3.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院, 廣東 廣州 510635)

高壓隧洞內(nèi)水外滲三維有限元分析與滲透穩(wěn)定性研究

張 巍1,2,陳云長3,黃立財3,劉林軍3

(1.中山大學(xué) 工學(xué)院, 廣東 中山 510275; 2.中山大學(xué) 巖土工程與信息技術(shù)研究中心, 廣東 中山 510275;3.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院, 廣東 廣州 510635)

陽江抽水蓄能電站高壓岔管擬采用鋼筋混凝土襯砌,其靜水壓力799 m為國內(nèi)之最。為保證在高水頭作用下圍巖的滲透穩(wěn)定,采用三維有限元方法,針對陽江抽水蓄能電站高壓水道防滲排水系統(tǒng)進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定研究。研究結(jié)果表明,高壓隧洞滲漏量在合理范圍,高壓固結(jié)灌漿、防滲帷幕和排水系統(tǒng)等防滲排水措施設(shè)計合理,效果顯著。滲透穩(wěn)定性方面,斷層f 708與排水廊道相交處滲透坡降較大,發(fā)生滲透破壞的可能性較大,需重點(diǎn)處理。通過高壓隧洞內(nèi)水外滲三維有限元分析與滲透穩(wěn)定性的研究,使得處理措施更具針對性。

高壓隧洞;內(nèi)水外滲;滲流;滲透穩(wěn)定

隨著越來越多的大型水電站尤其是抽水蓄能電站的建設(shè),出現(xiàn)了越來越多的高水頭水工隧洞,隧洞的水頭也越來越高。在高水頭作用下,混凝土襯砌難免開裂,襯砌開裂后成為透水介質(zhì),隧洞發(fā)生內(nèi)水外滲,圍巖成為承載主體。目前,該理念已受到人們的普遍認(rèn)可[1-6]。

高壓隧洞設(shè)計應(yīng)遵循三大基本準(zhǔn)則:最小覆蓋厚度準(zhǔn)則、最小地應(yīng)力準(zhǔn)則和滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則。工程實(shí)踐表明,在滿足前兩大準(zhǔn)則的前提下,高壓隧洞的整體穩(wěn)定是有保障的,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注滲漏和滲透穩(wěn)定問題。針對高壓隧洞內(nèi)水外滲滲透穩(wěn)定問題,人們做了許多工作[7-16],研究重點(diǎn)主要集中在滲流應(yīng)力耦合方面。

陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區(qū),地理位置處于廣州—湛江粵西片的中部,直線距廣州市230 km。電站裝機(jī)2 400 MW,分兩期建設(shè),一期裝機(jī)1 200 MW。電站采用1管3機(jī)供水,引水隧洞主管管徑7.4 m,支管管徑3.0 m。高壓引水岔管及引水隧洞擬采用鋼筋混凝土襯砌,引水支管采用鋼襯砌。高壓混凝土岔管靜水壓力799 m,水頭超過了國內(nèi)所有已建和在建的混凝土岔管。本文采用三維有限元方法,針對陽江抽水蓄能電站高壓水道防滲排水系統(tǒng)進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定研究。

1 防滲排水系統(tǒng)布置

1.1 總體方案

工程采用先防滲和后排水方案。防滲包括高壓隧洞洞內(nèi)灌漿和防滲帷幕,阻止高壓內(nèi)水滲向引水支管區(qū)域。在帷幕后設(shè)置排水廊道及排水孔,排去這一區(qū)域的外水;同時在鋼支管表面設(shè)置排水系統(tǒng),直接排放滲向鋼管表面的水。

1.2 防滲布置

高壓隧洞擬采用高壓固結(jié)灌漿,灌漿孔參數(shù):每排12孔、孔深6 m,排距2.5 m,灌漿壓力10 MPa。固結(jié)灌漿包括水泥灌漿和化學(xué)灌漿。針對斷層帶適當(dāng)加密灌漿孔距。

擬在鋼支管鋼襯起始端下游平距約6 m處設(shè)置一條長230 m、底板高程約為118 m、與鋼支管交角為65°的帷幕灌漿廊道,廊道斷面為城門洞型,尺寸3.0 m×3.6 m(寬×高)。廊道與探洞相連,組成“V”字形帷幕灌漿廊道。廊道下設(shè)孔徑76 mm、間距2.0 m、孔深約141 m的帷幕灌漿孔,從灌漿廊道向下的垂直帷幕灌漿與鋼管表面的高壓固結(jié)灌漿相接,連成一個防滲整體。

1.3 排水布置

在帷幕灌漿廊道下游約36 m處平行布置一條長為100 m、高程為約117 m的排水廊道,排水廊道底部布置一排孔徑76 mm、間距2.5 m的豎直排水孔,排水孔底部高程為-8.0 m,排水廊道與探洞相連。

帷幕灌漿廊道及灌漿孔在灌漿完成后全部封堵,探洞在灌漿廊道上游部分全部封堵,在灌漿廊道下游部分作為永久排水廊道。

2 滲流三維有限元計算理論

2.1 控制方程

區(qū)域Ω上的滲流實(shí)際上僅在自由面Γf以下的濕區(qū)Ωw中運(yùn)動。當(dāng)自由面Γf確定時,濕區(qū)Ωw也就隨之確定。然而,自由面Γf在實(shí)際工程問題中一般是未知的。通過將Darcy定律重新定義為如下形式,變分不等式方法將濕區(qū)Ωw上的滲流問題轉(zhuǎn)化為全域Ω上的一個新的邊值問題。

(1)

全域Ω上的滲流應(yīng)滿足連續(xù)性方程和邊界條件。

2.2 有限元格式

在有限單元法中,上述滲流問題通常采用剩余流量法、初流量法或滲透系數(shù)調(diào)整法等直覺化方法求解,其共同特點(diǎn)是力圖通過自由面迭代確保干區(qū)內(nèi)的滲流量低于濕區(qū)內(nèi)的滲流量。這些方法的不足之處是理論不夠嚴(yán)密,難以對滲流出滲點(diǎn)和自由面進(jìn)行準(zhǔn)確定位,計算結(jié)果具有顯著的網(wǎng)格依賴性。

本文采用理論上嚴(yán)密的Signorini型變分不等式方法求解,所建立的方法稱為SVA法(子結(jié)構(gòu)、變分不等式和自適應(yīng)罰Heaviside函數(shù)相結(jié)合的方法),該方法在理論上消除了出滲點(diǎn)的奇異性和由此引起的網(wǎng)格依賴性,能夠?qū)?qiáng)非線性滲流問題的滲流出滲點(diǎn)和自由面進(jìn)行精確定位,且具有計算速度快、計算精度高、算法穩(wěn)定性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn),特別適合對含排水孔、洞、幕等復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)的滲流問題進(jìn)行分析和優(yōu)化[17]。

3 有限元計算與分析

3.1 模型范圍

計算區(qū)域以高壓岔管第一個分叉點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),沿管軸線方向且指向下游為x軸正方向,垂直于岔管軸線方向為y軸正向,垂直向上為z軸正向。三維有限元模型計算范圍為:x向,從高壓隧洞下平段起始點(diǎn)至下游鋼支管廠房邊墻(長度約為460 m);y向沿2#引支鋼管中心線向兩側(cè)各180 m;z向,底部計算邊界為海拔高程-125 m,上部取至坡表,坡表最高高程為656.16 m,最低高程為354.43 m。

3.2 關(guān)鍵斷層的選取和模擬

依據(jù)對高壓隧洞工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的勘探資料,在三維有限元計算模型中,對關(guān)鍵斷層進(jìn)行模擬,模型中考慮的關(guān)鍵斷層性質(zhì)見表1。

考慮到斷層相對圍巖具有強(qiáng)透水的特性,可能會在高壓隧洞裂隙巖體中形成集中滲漏通道,所以本次計算以斷層是否與高壓隧洞相交并相互切割形成潛在滲漏通道為標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合探洞揭露的斷層性質(zhì),選取關(guān)鍵斷層。在模型中,考慮到斷層存在影響帶,將斷層寬度適當(dāng)取大,斷層位置及模型有限元網(wǎng)格如圖1和圖2所示。

表1 計算模型中的關(guān)鍵斷層信息

圖1 關(guān)鍵斷層位置及網(wǎng)格剖分圖

圖2 有限元模型網(wǎng)格剖分圖

3.3 計算邊界和計算參數(shù)

模型底部及側(cè)邊界為隔水邊界,模型上下游為已知水頭邊界,上游水位根據(jù)長觀孔水位觀測值取300 m,下游邊界取值-10 m,高壓引水道鋼筋混凝土襯砌段為定水頭邊界,水頭值為上水庫正常蓄水位時773.7 m,鋼襯段為隔水邊界;排水廊道以及各洞室壁面均視為潛在溢出型邊界,排水孔為定水頭邊界,其水頭值為排水廊道高程115 m。

模型參數(shù)主要是指各種介質(zhì)的滲透系數(shù),包括各類圍巖(Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類)、主要的斷層和圍巖灌漿圈等的滲透系數(shù)。各巖類及斷層的滲透系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場鉆孔壓水試驗成果綜合取值,如表2所示。

3.4 計算工況選擇

本文選取工程運(yùn)行期三個計算工況,針對高壓隧洞不同防滲排水措施進(jìn)行內(nèi)水外滲滲流規(guī)律分析,具體工況說明見表3。

表2 三維滲流計算參數(shù) 單位:cm/s

表3 運(yùn)行期計算工況選擇

3.5 計算結(jié)果及分析

為了便于比較,各工況均選取相同的斷面進(jìn)行滲流場分析,根據(jù)高壓岔管的結(jié)構(gòu),選取三個典型斷面分析高壓岔管區(qū)內(nèi)水外滲滲流場的規(guī)律,斷面示意圖見圖3。

圖3 高壓隧洞斷面示意圖

(1) 內(nèi)水外滲滲流場分布規(guī)律分析

運(yùn)行期工況C Ⅰ-Ⅰ斷面壓力水頭等值線圖如圖4所示。工況A、工況B規(guī)律與工況C總體相似,差別主要在局部。從圖4中可以看出,高壓隧洞洞周壓力水頭等值線分布成密集的封閉圓環(huán),越向內(nèi),水頭越高,這都反映出隧洞內(nèi)的高壓水向圍巖中滲透。各工況下,滲流自由面由上游向下游逐漸降低,自由面和壓力水頭等值線在排水廊道及排水孔處急劇下降,上游排水廊道為滲流溢出點(diǎn),表明排水廊道及排水孔排水降壓效果顯著。

圖4 運(yùn)行期工況C Ⅰ-Ⅰ斷面壓力水頭等值線圖

穿過高壓隧洞的斷層f 721在進(jìn)行灌漿處理和不進(jìn)行灌漿處理情況下壓力水頭分布規(guī)律差異顯著,斷層及其影響帶滲透性強(qiáng),在斷層不進(jìn)行灌漿處理情況下(工況A),等水頭線在斷層部位向外凸,斷層水壓力值較周圍巖體高,且壓力水頭線分布較為稀疏,表明斷層是高壓內(nèi)水外滲的優(yōu)勢通道,會導(dǎo)致高壓內(nèi)水大量外滲。斷層經(jīng)過深度為6 m高壓固結(jié)灌漿處理后(工況B、工況C),壓力水頭等值線在斷層固結(jié)灌漿處分布密集,壓力水頭在斷層內(nèi)呈現(xiàn)向內(nèi)凹的規(guī)律,表明固結(jié)灌漿起到了顯著的防滲作用。

隧洞設(shè)置深度為6 m的高壓固結(jié)灌漿后,灌漿圈外邊緣水壓力下降到615 m左右,比沒有設(shè)置固結(jié)灌漿時略小,表明固結(jié)灌漿圈起到了一定的防滲降壓作用,但高壓隧洞區(qū)多為Ⅰ類、Ⅱ類圍巖,滲透性較低,固結(jié)灌漿對Ⅰ類、Ⅱ類圍巖提高防滲性能作用不顯著。

(2) 內(nèi)水外滲滲透坡降分布規(guī)律分析

運(yùn)行期工況C Ⅲ-Ⅲ斷面滲透坡降分布規(guī)律如圖5所示。在各工況下,由于高壓內(nèi)水外滲的作用,滲透坡降從隧洞內(nèi)壁向外逐漸降低,高壓隧洞圍巖及襯砌承受滲透坡降均較大。高壓隧洞不設(shè)固結(jié)灌漿時,高壓隧洞鋼筋混凝土襯砌滲透坡降最大值達(dá)到52左右,圍巖最大滲透坡降達(dá)到30.6。設(shè)置固結(jié)灌漿后鋼筋混凝土襯砌滲透坡降下降到46.7,圍巖最大滲透坡降上升到42.8,出現(xiàn)在洞周開挖損傷區(qū)。計算結(jié)果表明,高壓固結(jié)灌漿對提高開挖損傷區(qū)防滲性能效果顯著,襯砌和固結(jié)灌漿圈作為高壓隧洞防滲體系,能有效減小高壓隧洞的內(nèi)水外滲量。

圖5 運(yùn)行期工況C Ⅲ-Ⅲ斷面滲透坡降矢量圖

(3) 運(yùn)行期各洞室滲漏流量分析

不同工況下各洞段的滲漏量見表4(負(fù)值代表流出,正值代表流入)。高壓隧洞與斷層f 721不設(shè)高壓固結(jié)灌漿時隧洞內(nèi)水外滲量較大,達(dá)到了40.47 L/s;只對斷層設(shè)置6 m固結(jié)灌漿情況下,高壓隧洞內(nèi)水外滲量仍高達(dá)37.41 L/s;在斷層f 721和高壓隧洞均設(shè)置固結(jié)灌漿的情況下,高壓隧洞滲漏量顯著減至22.22 L/s。高壓隧洞排水廊道及廠房排水廊道滲漏量均較小。

滲漏量計算結(jié)果表明,高壓隧洞充水后內(nèi)水外滲,高壓隧洞不設(shè)置固結(jié)灌漿時,整個隧洞內(nèi)水外滲量較大。斷層是高壓隧洞內(nèi)水外滲的主要通道,僅對f 721斷層設(shè)置固結(jié)灌漿后,高壓隧洞內(nèi)水外滲量減小了7.5%。在斷層和高壓隧洞設(shè)置高壓固結(jié)灌漿情況下,內(nèi)水外滲量得到有效控制,因此隧洞和斷層設(shè)置高壓固結(jié)灌漿是十分必要的。

表4 運(yùn)行期不同工況下各洞室滲流量

4 主要結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性研究

依據(jù)高壓隧洞工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件勘探資料,高壓隧洞區(qū)斷層對滲流場的影響不可忽略,尤其是穿過高壓隧洞鋼筋混凝土襯砌段的斷層f 721寬度大,探洞開挖時發(fā)生線狀涌水;與斷層f 721相交并延伸至下游廠房的斷層f 708出水量大,為張性斷層,這些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,對高壓隧洞和地下廠房的正常運(yùn)行可能會產(chǎn)生較大影響。根據(jù)計算結(jié)果,對高壓隧洞區(qū)關(guān)鍵斷層進(jìn)行穩(wěn)定性評價,為隧洞與廠房安全施工和正常運(yùn)行提供理論依據(jù)。

(1) f 721斷層

f 721是穿過高壓隧洞鋼筋混凝土襯砌段的Ⅱ級結(jié)構(gòu)面,為壓扭性斷層。受高壓隧洞內(nèi)水外滲的影響,穿過高壓隧洞的斷層f 721滲透坡降沿洞周向外逐漸減小,滲透坡降較大的地方集中在洞周圍巖,其余位置滲透坡降均較小。

工況C斷層面水力梯度分布如圖6所示。不進(jìn)行固結(jié)灌漿時,斷層f 721滲透坡降最大達(dá)到了22,方向沿斷層面切向,出現(xiàn)在洞壁圍巖,在高壓水內(nèi)水外滲長期作用下極有可能發(fā)生滲透破壞而形成集中滲漏通道,導(dǎo)致高壓隧洞內(nèi)水大量外滲。設(shè)置固結(jié)灌漿后,最大滲透坡降降到11左右,出現(xiàn)在固結(jié)灌漿圈外邊緣,其余位置均不超過8,在排水廊道高程,f 721斷層面滲透坡降只有0.5。因此,在確保固結(jié)灌漿質(zhì)量的情況下,斷層在設(shè)置6 m固結(jié)灌漿時,可以滿足滲透穩(wěn)定性要求。

圖6 運(yùn)行期工況C f 721斷層面滲透坡降矢量圖

(2) f 708斷層

f 708是與斷層f 721相交并延伸至下游廠房的Ⅲ級結(jié)構(gòu)面,為張性斷層。在各工況下,斷層f 708滲透坡降變化不大,最大值為11,出現(xiàn)在斷層與帷幕相交處。工況C斷層面水力梯度分布如圖7所示。從圖7可以看到,斷層f 708與排水廊道相交處滲透坡降較大,達(dá)到8.6,此處作為地下水的排泄位置,發(fā)生滲透破壞的可能性較大,需重點(diǎn)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。其余位置滲透坡降均在3以下,發(fā)生滲透破壞的可能性較小。

圖7 運(yùn)行期工況C f 708斷層面滲透坡降矢量圖

5 結(jié) 語

(1) 陽江抽水蓄能電站高壓混凝土岔管靜水壓力799 m,水頭超過了國內(nèi)所有已建和在建的混凝土岔管。在滿足最小覆蓋厚度準(zhǔn)則和最小地應(yīng)力準(zhǔn)則的前提下,高壓隧洞的整體穩(wěn)定是有保障的,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在高水頭作用下內(nèi)水外滲引起的滲漏和滲透穩(wěn)定問題。

(2) 電站充水運(yùn)行情況下,高壓隧洞不設(shè)置固結(jié)灌漿時,內(nèi)水外滲量較大,隧洞及斷層設(shè)置6 m深度固結(jié)灌漿時,內(nèi)水外滲量得到有效控制,鋼襯外水壓力在排水孔處下降將至200 m,避免了鋼襯因外水壓力過大而發(fā)生破壞。高壓固結(jié)灌漿、防滲帷幕和排水系統(tǒng)等防滲排水措施設(shè)計合理,效果顯著。

(3) 斷層f 721不作處理時,滲透坡降很大,此時內(nèi)水外滲量也很大,設(shè)置6 m固結(jié)灌漿后,滲透坡降大大降低,只有局部位置達(dá)到11,因此在保證固結(jié)灌漿質(zhì)量的前提下,f 721斷層進(jìn)行6 m固結(jié)灌漿可以滿足滲透穩(wěn)定性要求。

(4) 斷層f 708在各工況下滲透坡降很小,發(fā)生滲透破壞的可能性較小。但在斷層f 708與排水廊道相交處滲透坡降較大,此處作為地下水的排泄位置,發(fā)生滲透破壞的可能性較大,需重點(diǎn)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理,避免斷層泥從排水廊道壁面流失而產(chǎn)生的滲透破壞。

(5) 本文結(jié)合陽江抽水蓄能電站工程地質(zhì)條件,通過高壓隧洞內(nèi)水外滲三維有限元分析與滲透穩(wěn)定性的研究,得出了一系列有意義的結(jié)論和有價值的工程建議,使得處理措施更具針對性。

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3D Finite Element Analysis of Seepage from A High Pressure Tunnel and Study on Its Permeation Stability

ZHANG Wei1,2, CHEN Yunchang3, HUANG Licai3, LIU Linjun3

(1.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,Zhongshan,Guangdong510275,China; 2.ResearchCenterforGeotechnicalEngineering&InformationTechnology,SunYat-senUniversity,Zhongshan,Guangdong510275,China;3.GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou,Guangdong510635,China)

For the high pressure bifurcated pipes of Yangjiang pumped storage power station, reinforced concrete lining scheme is to be adopted. The static water pressure is 799 m, which is the highest in China. In order to maintain the stability of the surrounding rock under high water pressure, 3D finite element method was adopted to investigate seepage and infiltration stability of the high pressure drainage pipe system of this power station. Firstly the seepage prevention and drainage system layout scheme of this power station was introduced, followed by the introduction of the seepage 3D finite element calculation theory, based on which the study was carried out. The study results indicate that the seepage discharge is within a rational range, and the layout scheme of seepage prevention and drainage system of the high pressure tunnels is suitable and obviously effective. For the aspect of seepage and infiltration stability, the seepage gradient value in the intersection region of f708 and the drainage gallery is relatively big. The possibility of hydraulic failure in this region is imminent, and it is necessary to take prevention measures. With the help of the 3D finite element analysis and the study on seepage stability of the high pressure tunnels of this power station, the handling actions will be more targeted.

high pressure tunnel; seepage from inside to outside; seepage flow; seepage stability

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.05.042

2015-04-18

2015-05-14

張 巍(1983—)，男，湖北天門人,博士,主要從事地下工程數(shù)值模擬研究工作。E-mail:5297716@qq.com

TU452

A

1672—1144(2015)05—0212—06