過溝淺埋段高壓引水隧洞滲流場分析

謝 桃， 肖 玉 會， 周 濤， 王 坤 雷

(四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

古瓦水電站發(fā)電廠房位于四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣境內(nèi)，是碩曲河干流鄉(xiāng)城、得榮段“一庫六級”梯級開發(fā)方案的“龍頭水庫”電站。工程采用混合式開發(fā)，攔河大壩最大壩高139 m，總庫容2.4億m3。

古瓦水電站引水隧洞沿線河谷狹窄，山體雄厚，谷坡陡峻，屬典型的中高山峽谷地貌，谷坡地形自然坡度40°～55°。隧洞全長20.427 km，縱坡i=3.084‰。該次計算中引水隧洞穿越洪祖溝和洼龍溝兩條支溝，溝內(nèi)常年流水，過溝段谷底寬約100～110 m，兩岸基巖零星出露。過溝段隧洞上覆巖體厚約30～35 m，巖體裂隙較發(fā)育，地下水活動性較強，圍巖穩(wěn)定性較差，圍巖主要為Ⅳ類和Ⅴ類。同時，古瓦引水隧洞過溝淺埋段洞內(nèi)最大內(nèi)水壓力水頭大于100 m，該段屬于淺埋高壓段隧洞，存在內(nèi)水外滲的風(fēng)險，對隧洞結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的穩(wěn)定性存在較大的安全隱患。通過對古瓦水電站兩個過溝淺埋段不同工況下引水隧洞鋼襯長度的敏感性分析，為類似引水隧洞工程提供借鑒經(jīng)驗。

2 基本理論思路

目前，高壓隧洞透水襯砌設(shè)計理論已被廣泛認可[1～4]。透水襯砌理論將鋼筋混凝土襯砌和圍巖均視為透水介質(zhì)，在高內(nèi)水壓作用下鋼筋混凝土襯砌存在開裂風(fēng)險，并引發(fā)內(nèi)水外滲，內(nèi)水壓力將透過襯砌直接作用在圍巖表面，隨著時間推移，將在圍巖內(nèi)形成新的滲流場，該滲流場可能對地層產(chǎn)生不利影響。陳奇，倪小東等[5]通過對杭州千島湖高壓輸水隧洞淺埋段襯砌數(shù)值計算分析，得出隧洞埋深最淺時，隧洞各點應(yīng)力值最大，差異性也最大，隧洞受力最不均勻，襯砌最易開裂，而隨著埋深增加，襯砌內(nèi)壁上各點的應(yīng)力值趨向統(tǒng)一。同時提出，工程在埋深小于80 m時應(yīng)當考慮襯砌保護措施以防止高內(nèi)壓導(dǎo)致較小埋深區(qū)段出現(xiàn)襯砌開裂的工程建議。

因此，普遍認為高壓隧洞襯砌是存在開裂透水風(fēng)險的，對于深埋段且圍巖地質(zhì)條件較好的洞段，對隧洞及周邊環(huán)境安全影響不大。而對于高壓引水隧洞的淺埋段則存在較大的安全隱患。

由于古瓦水電站引水隧洞洪祖溝過溝段和洼龍溝過溝段埋深約32 m，埋藏較淺，不滿足隧洞埋深要求，且洞內(nèi)內(nèi)水壓力水頭大于100 m，針對該淺埋高壓段襯砌采用了鋼板襯護設(shè)計。

采用《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》SL-279-2016中挪威準則[6]進行計算，如下式：

式中CRW為巖體最小覆蓋厚度(不包括全、強風(fēng)化厚度)，m；hs為洞內(nèi)靜水壓力水頭，m；γw為水的容重，kN/m3；γR為巖體的容重，kN/m3；α為河谷岸邊邊坡傾角，°，當α>60°時，取α=60°；F為經(jīng)驗系數(shù)，可取1.3～1.5。

通過上式計算得出的巖體最小覆蓋厚度，分析得出引水隧洞過洪祖溝和洼龍溝段鋼襯段長度分別為225 m和185 m。挪威準則雖然給出了引水隧洞最小埋深的設(shè)計標準，但是并未給出不同埋深下圍巖的應(yīng)力計算式，其僅是經(jīng)驗公式，可用于定性判定隧洞安全性，無法對結(jié)果進行定量描述，為分析圍巖應(yīng)力狀態(tài)，需借助有限元分析法。

根據(jù)現(xiàn)場開挖反饋，該段圍巖整體質(zhì)量較差，為探討淺埋鋼襯段設(shè)計長度是否能滿足要求，結(jié)合開挖揭示成果，對上、下游水位差最大的正常運行期的隧洞滲流場進行計算，該次計算主要對引水隧洞過溝位置的鋼襯長度進行敏感性分析，以論證現(xiàn)有設(shè)計是否滿足滲透穩(wěn)定性。

3 二維滲流場計算

3.1 計算模型

該次滲流場分析采用二維有限元法進行計算。計算剖面選取引水隧洞的兩個過溝(淺埋)段，洪祖溝過溝段和洼龍溝過溝段滲流計算模型見圖1～2。

圖1 洪祖溝過溝段滲流計算模型

圖2 洼龍溝過溝段滲流計算模型

3.2 計算參數(shù)

該計算的各巖層參數(shù)指標由現(xiàn)場勘測資料或室內(nèi)土工試驗提供，包括各類圍巖物理力學(xué)指標和滲透系數(shù)，古瓦引水隧洞過溝段滲流計算參數(shù)見表1。

表1 古瓦引水隧洞過溝段滲流計算參數(shù)

洪祖溝和洼龍溝溝水所形成的地下水壓相比引水隧洞內(nèi)水壓所占權(quán)重極小，為方便計算和數(shù)據(jù)分析，并出于計算安全余幅的考慮，該次計算中不考慮其對內(nèi)水壓的抵消的有利作用，僅考慮隧洞在內(nèi)水壓力作用下，對隧洞圍巖滲流場及應(yīng)力場的影響。根據(jù)水工隧洞設(shè)計規(guī)范要求，結(jié)合洪祖溝和洼龍溝的實際情況，模型計算荷載包括自重、正常蓄水位時的水壓力等。

3.3 計算工況

引水隧洞過洪祖溝和洼龍溝段的鋼襯設(shè)計長度L分別為225 m和185 m，為研究鋼襯段的合理性，對正常蓄水位時兩過溝段隧洞分別擬定了以下7種工況進行滲流計算分析，古瓦引水隧洞過溝段滲流計算工況見表2。其中工況1為無襯工況，模擬混凝土襯砌開裂的情況；工況2為混凝土襯砌工況，模擬單混凝土襯砌的情況；工況3為鋼板襯護工況，模擬過溝段鋼襯長度為現(xiàn)有設(shè)計長度L的情況；工況4～7分別為鋼襯長度增加現(xiàn)有設(shè)計長度的10%、20%、30%、40%的工況，用以對過溝位置的鋼襯長度進行敏感性分析。工況7中鋼襯加長至1.4 L后隧洞埋深已達挪威準則計算埋深的2倍厚度，完全滿足過溝處隧洞上覆圍巖埋深的要求，故無需再對鋼襯進一步加長分析。

表2 古瓦引水隧洞過溝段滲流計算工況

4 計算成果分析

4.1 水力坡降及滲流量

洪祖溝和洼龍溝溝底表面為覆蓋層，選擇其中心點作為控制點分析其水力坡降，兩過溝段滲流量采用單寬滲流量進行統(tǒng)計，滲流計算成果見表3。洪祖溝段各工況水力坡降趨勢圖、洪祖溝段各工況滲流量趨勢圖、洼龍溝段各工況水力坡降趨勢圖、洼龍溝段各工況滲流量趨勢圖見圖3～6。

表3 滲流計算成果表

圖3 洪祖溝段各工況水力坡降趨勢圖

圖4 洪祖溝段各工況滲流量趨勢圖

圖5 洼龍溝段各工況水力坡降趨勢圖

圖6 洼龍溝段各工況滲流量趨勢圖

由滲流計算成果表可知：

(1) 溝內(nèi)單寬滲流量在混凝土襯砌破壞時達0.47 m3/d以上；混凝土襯砌完好時，單寬滲流量相對于混凝土破壞時(下同)降低約90%(但需保證混凝土襯砌完好，不存在裂縫，這對于該淺埋高壓段隧洞不容易滿足，故很難達到模型計算效果)；增加鋼襯L之后單寬滲流量降低約92%，效果明顯；隨著鋼襯長度繼續(xù)增加，單寬滲流量隨之降低，但降幅并不明顯，說明增加鋼襯長度對減小單寬滲流量的作用不明顯。

(2) 地表中心控制點水力坡降值在混凝土發(fā)生破壞時均大于0.15，在混凝土襯砌完好時小于0.1(但在該淺埋高壓段較難保證襯砌完好，不開裂，故難以達到模型計算效果)；在加鋼襯L后，較混凝土襯砌完好時進一步減??；隨著鋼襯長度的增加水力坡降趨于穩(wěn)定。因此當混凝土破壞時該點可能會發(fā)生滲透破壞；混凝土襯砌完好和加鋼襯后不會出現(xiàn)地表涌水和滲透破壞。但隨著鋼襯長度的增加對降低水力坡降作用并不明顯。

4.2 浸潤線分布圖

引水隧洞洪祖溝及洼龍溝各工況浸潤線分布圖見圖7、8。

圖7 引水隧洞洪祖溝段各工況浸潤線分布圖

圖8 引水隧洞洼龍溝段各工況浸潤線分布圖

從隧洞兩過溝段各工況浸潤線分布圖可知，混凝土襯砌發(fā)生破壞之后浸潤線位于地表以上部位，洪祖溝浸潤線出逸點高于地面10 m，洼龍溝浸潤線出逸點高于地面6.2 m。加襯后，浸潤線下降至溝內(nèi)地表處，采用鋼板襯砌后，浸潤線稍低于單混凝土襯砌，隨著鋼襯長度的增加，浸潤線的高度變化不明顯，說明鋼襯段長度已滿足設(shè)計要求，繼續(xù)加長鋼襯段長度意義不大。

4.3 成果分析

根據(jù)以上計算成果圖表分析后表明：

(1)引水隧洞各工況下浸潤線分布略有差異，模擬混凝土開裂的無襯工況1顯示，浸潤線位于地表以上部位，且地表中心控制點水力坡降值大于0.15，表明該點可能會發(fā)生滲透破壞。加襯后，浸潤線下降至溝內(nèi)地表以下，地表中心控制點水力坡降值降至0.1以下，因此引水隧洞加襯后不會出現(xiàn)地表涌水和滲透破壞。

(2)采用鋼板襯砌后，浸潤線稍低于單混凝土襯砌，水力坡降下降約25%以上，滲流量減少約23%以上，不會出現(xiàn)地表涌水現(xiàn)象。

(3) 鋼襯段加長10%、20%、30%、40%后，與現(xiàn)設(shè)計長度相比，滲流場變化不明顯，控制點的水力坡降值與滲流量變化較小，即繼續(xù)增加鋼襯長度對減少滲流量及滲透破壞作用有限，說明鋼襯段長度已滿足設(shè)計要求。

因此，考慮到工程投資及實際作用效果，引水隧洞洪祖溝過溝段鋼襯設(shè)計長度225 m，洼龍溝過溝段鋼襯設(shè)計長度185 m滿足工程需要，不建議進一步加長。

5 結(jié) 語

通過對古瓦水電站引水隧洞淺埋高壓段內(nèi)水外滲滲流場的數(shù)值模擬分析，并結(jié)合工程實際經(jīng)驗，提出了采用適當長度的鋼襯對該處進行處理的襯砌保護措施。數(shù)值模擬結(jié)果表明，鋼襯對減少淺埋高壓段滲流量，提高抗水力破壞能力具有較好的效果，可為今后類似引水隧洞工程設(shè)計提供一定借鑒經(jīng)驗。