張 亮，吳吉春，施小清，朱祥東

(1．南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院水科學(xué)系，江蘇南京 210093;2．中國(guó)三峽集團(tuán)公司白鶴灘水電站籌備組，四川寧南 615400)

中國(guó)西南部已建與在建水電站多采用地下隧洞作為導(dǎo)流設(shè)施，導(dǎo)流洞施工過(guò)程中常遇突發(fā)涌水，威脅工程安全并影響施工進(jìn)度。如構(gòu)皮灘水電站施工過(guò)程中，水庫(kù)在導(dǎo)流洞下閘后蓄水至490m時(shí)，1號(hào)導(dǎo)流洞突現(xiàn)涌水，目測(cè)水柱直徑3m，洞內(nèi)水深8m。與白鶴灘工程地質(zhì)條件相似的溪洛渡水電站2004年在導(dǎo)流洞主洞施工中出現(xiàn)施工面滲水。滲水問(wèn)題雖然通過(guò)防滲帷幕措施得以解決，但處理費(fèi)用高昂，而且極大影響了正常施工進(jìn)度。

白鶴灘水電站地下工程主要包括導(dǎo)流工程、引水發(fā)電系統(tǒng)工程和泄洪洞系統(tǒng)工程。根據(jù)白鶴灘水文地質(zhì)條件分析，在地下洞室施工過(guò)程中將不可避免地碰到涌水狀況。導(dǎo)流隧洞和尾水隧洞的洞底高程基本與河底高程一致，洞底高程低于常水位20～25m，低于10年一遇河水位45m以上。導(dǎo)流隧洞和尾水隧洞的進(jìn)出口段距河道較近，圍巖位于風(fēng)化帶、卸荷帶，透水性相對(duì)較強(qiáng);受層內(nèi)層間錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育的影響，在一定橫向深度范圍內(nèi)易形成相對(duì)富水的條帶，可能成為江水涌入地下洞室的通道。

地下工程滲流問(wèn)題作為工程重要風(fēng)險(xiǎn)，需要從施工和管理角度提供方案建議。地下工程施工過(guò)程中的涌水量指單位時(shí)間內(nèi)流入施工區(qū)域的水量，是處理地下工程施工中涌水問(wèn)題首要考量的因素。提前預(yù)測(cè)地下洞室工程施工中的圍巖涌水情況，可以為防治措施及排水方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)地下洞室安全、順利、快速、經(jīng)濟(jì)的施工。

1 研究區(qū)域概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游，壩址左岸屬四川省寧南縣跑馬鄉(xiāng)，右岸屬云南省巧家縣大寨鎮(zhèn)，距離下游溪洛渡水電站約195km，控制流域面積43．03×104m2，壩址區(qū)多年平均流量4 190m3/s。白鶴灘水電站混凝土雙曲拱壩壩高289m，水庫(kù)正常蓄水位825m，正常蓄水位以下庫(kù)容190．06×108m3。電站裝機(jī)容量初擬14 004MW。

壩址區(qū)屬中山峽谷地貌，地勢(shì)北高南低，向東側(cè)傾斜。左岸為大涼山山脈東南坡，整體呈向金沙江傾斜的斜坡地形;右岸為藥山山脈西坡，主要為陡坡與緩坡相間地形。右岸高程1 000～1 400m以下為陡崖區(qū)，以上呈臺(tái)地緩坡[1]。谷坡左岸相對(duì)較緩，右岸陡峻，河谷呈不對(duì)稱的V字形。

白鶴灘水電站設(shè)計(jì)建造5條導(dǎo)流隧洞，除右岸布置的4號(hào)與5號(hào)導(dǎo)流洞外，左岸同時(shí)布置3條。本文的研究區(qū)劃定壩址區(qū)右岸上下游2．5km，橫向深度500m范圍區(qū)域，完整囊括4號(hào)與5號(hào)導(dǎo)流洞(圖1)。

1.1 水文地質(zhì)概況

圖1 研究區(qū)地形圖及導(dǎo)流洞平面位置(F15－19分別表示右岸5條斷層走向)Fig.1 Terrain map of the study area and the position of tunnels(the five faults are illustrated in number F15－19)

壩址主要出露二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，上覆三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組砂頁(yè)巖。二疊系上統(tǒng)峨眉山組P2β3中部 P2β23，P2β33部分區(qū)域柱狀節(jié)理發(fā)育[2～3]。地層呈假整合接觸，第四系松散堆積物主要分布于河床及緩坡臺(tái)地上。

壩址區(qū)自大寨溝溝口起，至神樹溝溝口止，河段長(zhǎng)1．7km。金沙江由南向北流入壩址，枯水期水面寬51～110m，上游水位約591m，下游水位約589m，水深9～18m不等。河床中的孔隙水主要接收江水和河床兩側(cè)地下水的補(bǔ)給，排向金沙江。

右岸1 100m以上分布飛仙關(guān)組粉砂巖、泥巖、砂巖，為區(qū)域阻水結(jié)構(gòu)。右岸地表水以及降水主要通過(guò)地表徑流匯入大寨溝然后排向金沙江，而滲入補(bǔ)給下伏玄武巖體的水量有限，加之水平方向滲透性比垂直方向要強(qiáng)，因此右岸地下水位埋深相對(duì)較大。

1.2 地層與斷層

結(jié)合鉆孔柱狀圖和已有的勘探線剖面圖對(duì)地層資料進(jìn)行整理，根據(jù)鉆孔資料中的巖性描述和對(duì)地層的概化，確定各地層的空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并對(duì)地層進(jìn)行巖性編號(hào)[4～7]，按照巖層透水性的不同將計(jì)算區(qū)分為9個(gè)滲透分區(qū)，詳見表1。

右岸主要分布有五條斷層，分別為 F15、F16、F17、F18和F19斷層，其平面位置分布見圖1。F15、F16與F18屬于NW300°組斷層，F(xiàn)19屬于NW320°組斷層。而F17屬于最晚形成的NE40°組斷層，并且是該組最大的斷層，長(zhǎng)約1 600m，破碎帶寬0．6～3．0m。研究區(qū)內(nèi)，F(xiàn)17斷層錯(cuò)段 F18、F19斷層，同時(shí)在遠(yuǎn)端錯(cuò)斷 F16斷層[8]。由于缺乏斷層垂向傾角信息，本文算例皆假設(shè)斷層垂直切割厚層玄武巖層。分布于巖體中的斷層活動(dòng)不強(qiáng)烈，對(duì)大壩的整體穩(wěn)定性影響不大[8]。斷層等結(jié)構(gòu)面交叉連通或貫穿，在地下水滲流中可能會(huì)起著滲漏通道的作用。

表1 巖層分區(qū)及各分區(qū)滲透系數(shù)Table1 Hydraulic conductivity values assigned to partitions of rock flows

1.3 導(dǎo)流洞布置

研究區(qū)內(nèi)的4號(hào)與5號(hào)導(dǎo)流洞平行布置，相互間距50m。兩條導(dǎo)流洞分別包含入口段，中間段與出口段，中間段均近似平行于金沙江。4號(hào)導(dǎo)流洞臨江較近，其中間段距離岸邊231～310m。4號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口段長(zhǎng)約313m，中段長(zhǎng)約1 033m，出口段長(zhǎng)約354m，長(zhǎng)度總計(jì)為1 700m。5號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口段長(zhǎng)約409m，中段約長(zhǎng)1 112m，出口段約長(zhǎng)451m，長(zhǎng)度總計(jì)為1 972m。導(dǎo)流洞平面位置見圖1。

2 數(shù)值模擬過(guò)程

本例采用數(shù)值模擬軟件TOUGH2進(jìn)行計(jì)算。軟件按模塊化程序設(shè)計(jì)，各子模塊分別用于解決不同組分地下水運(yùn)移問(wèn)題。其中子模塊EOS9可用于計(jì)算飽和非飽和地下水流模型。本文采用可視化軟件Petrasim作為TOUGH2的前處理工具。

2.1 空間離散

網(wǎng)格剖分大小主要考慮以下幾個(gè)因素:導(dǎo)流洞尺寸與開挖速度，斷層寬度與走向，以及計(jì)算資源占用等。本文采用規(guī)則矩形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，x、y與z軸分別長(zhǎng)17．5，10，22．5m。網(wǎng)格總數(shù)共計(jì)40 ×40 ×180=288 000(圖2b)。網(wǎng)格巖性分區(qū)與賦值可以利用Petrasim提供的內(nèi)部邊界工具進(jìn)行設(shè)置。導(dǎo)入地層高程數(shù)據(jù)后，剩余的活動(dòng)網(wǎng)格總數(shù)為153 216(圖2a)。其中，4號(hào)與5號(hào)導(dǎo)流洞分別由184個(gè)與210個(gè)網(wǎng)格表示。

圖2 利用Petrasim軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分Fig.2 Spatial discretization in Petrasim

2.2 網(wǎng)格命名

TOUGH2對(duì)輸入文件的格式要求非常嚴(yán)格，網(wǎng)格由占5個(gè)字符的命名區(qū)分。由Petrasim導(dǎo)出的TOUGH2輸入文件中，網(wǎng)格按10進(jìn)制數(shù)字命名，即從數(shù)字00001依次向下編號(hào)。大于99999的網(wǎng)格，TOUGH2將無(wú)法正確讀取。

本文編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的命名轉(zhuǎn)換工具，將10進(jìn)制數(shù)字命名更換為24進(jìn)制。如原記為100000的網(wǎng)格更名為075EG，此時(shí)命名只占5個(gè)字符。由Petrasim生成的153216個(gè)網(wǎng)格均轉(zhuǎn)換為24進(jìn)制命名后，輸入文件格式完全符合TOUGH2要求，可以正常讀取計(jì)算。采用這種方法，可避免對(duì)TOUGH2源程序的修改，同時(shí)有效拓展了可視化軟件Petrasim的應(yīng)用能力。

2.3 初始條件與邊界條件

研究區(qū)西側(cè)金沙江為第一類邊界條件，根據(jù)上下游水位按照水力坡度插值;南部和北部邊界為隔水邊界;東側(cè)右岸山體內(nèi)部邊界距河床中軸線約500m，其水位由各勘探剖面水位內(nèi)插得到。底部作為隔水邊界，頂部為降雨入滲邊界。在加入導(dǎo)流洞之前，計(jì)算初始流場(chǎng)，結(jié)果用作下一步計(jì)算的初始條件。

導(dǎo)流洞作內(nèi)邊界條件設(shè)置，在計(jì)算過(guò)程中保持恒壓。TOUGH2提供了兩種方式設(shè)置恒定壓強(qiáng)。第一種方式為:給定網(wǎng)格一個(gè)極大體積，通常使用1．0×1050m3。被賦值極大體積的網(wǎng)格，仍然參與程序計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，周圍網(wǎng)格對(duì)其造成的影響均被極大體積抵消，相當(dāng)于該網(wǎng)格上的變量均保持不變。

另一種方式為:設(shè)置網(wǎng)格狀態(tài)為非活動(dòng)網(wǎng)格。非活動(dòng)網(wǎng)格通常被單獨(dú)列于網(wǎng)格列表文件的末尾，由一零行間隔。通過(guò)這種方式設(shè)置的恒定網(wǎng)格，其變量始終保持不變。應(yīng)用中推薦使用第二種方法，因?yàn)榇藭r(shí)恒定網(wǎng)格不參與計(jì)算，可以節(jié)省一定的計(jì)算時(shí)間和資源。

2.4 混凝土襯砌

導(dǎo)流洞施工過(guò)程中，為縮短工期，通常適時(shí)進(jìn)行混凝土澆筑與開挖的平行作業(yè)。導(dǎo)流洞斷面混凝土襯砌，配合工程初期的錨噴支護(hù)，可增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，降低洞壁滲水能力[9]。

TOUGH2中相鄰網(wǎng)格的關(guān)系由連接唯一確定。每一個(gè)連接中包含以下信息，相鄰網(wǎng)格中心到交界面的距離，交界面的面積，網(wǎng)格中心連線與重力加速度矢量方向的夾角等。TOUGH2初始化階段將讀取所有網(wǎng)格連接，然后計(jì)算通過(guò)這些交界面的流量通量。當(dāng)程序沒(méi)有讀取到某一連接，便不計(jì)算通過(guò)該界面的流量。假設(shè)混凝土襯砌完成后，導(dǎo)流洞與圍巖間沒(méi)有任何流量通量。于是，可以將這些連接內(nèi)容從輸入文件中刪除，實(shí)現(xiàn)混凝土襯砌的模擬效果。

2.5 模擬流程控制

導(dǎo)流洞施工過(guò)程模擬由一系列施工步驟組成，每個(gè)施工步驟內(nèi)向前開挖一定距離。各步開始計(jì)算之前，根據(jù)情況最多需要完成4組設(shè)定。首先，將上一步的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為該步計(jì)算的初始條件;其次，導(dǎo)流洞向前開挖一定長(zhǎng)度，即將該部分網(wǎng)格設(shè)置為內(nèi)邊界條件;然后根據(jù)需要，落后開挖段一定間距的導(dǎo)流洞網(wǎng)格，進(jìn)行混凝土襯砌作業(yè)，即將該部分網(wǎng)格與圍巖網(wǎng)格的連接從輸入文件中刪除;最后，設(shè)置輸出選項(xiàng)。模擬流程示意詳見圖3。

圖3 施工過(guò)程模擬控制流程Fig.3 Flowchart of the automated excavation simulation system

模擬過(guò)程中相鄰施工步之間的設(shè)定由程序TUNL完成，該程序由筆者使用Fortran語(yǔ)言編寫。前3組設(shè)定均針對(duì)輸入文件進(jìn)行操作，如初始條件轉(zhuǎn)換的工作需要更新保存初始條件的INCON文件，內(nèi)邊界條件設(shè)置與網(wǎng)格連接刪除的操作需要修改MESH文件。4組設(shè)定的具體信息保存在單獨(dú)的施工文件中，每一個(gè)施工步驟內(nèi)都需要準(zhǔn)備一份施工文件。這一系列文件可以完整描述導(dǎo)流洞的施工過(guò)程。通過(guò)一系列連續(xù)的施工控制文件，可以方便地修改施工方案;同時(shí)，多條導(dǎo)流洞同時(shí)施工亦不影響。整個(gè)模擬計(jì)算過(guò)程可以通過(guò)batch文件自動(dòng)控制。涌水量計(jì)算結(jié)果輸出保存至單獨(dú)的文件中。

3 導(dǎo)流洞涌水模擬

3.1 由入口開挖施工方案

本例主要用于檢驗(yàn)?zāi)M施工流程的可行性，兩條導(dǎo)流洞施工方案相同并同時(shí)進(jìn)行。具體方案為:由導(dǎo)流洞入口開始挖掘，每步向前開挖40m。同時(shí)落后開挖段40m，已建導(dǎo)流洞洞壁進(jìn)行混凝土襯砌。4號(hào)導(dǎo)流洞按40m長(zhǎng)度共分為44段，為完成最后兩段的混凝土襯砌，共需要計(jì)算46個(gè)施工步。同理，5號(hào)導(dǎo)流洞相同條件下共需計(jì)算52個(gè)施工步。兩條導(dǎo)流洞同時(shí)施工，整個(gè)工程完工時(shí)間以5號(hào)導(dǎo)流洞為準(zhǔn)。

每個(gè)施工步的模擬時(shí)間為半個(gè)月，即施工速度為每月開挖80m，工程建設(shè)總共耗時(shí)780d。假設(shè)整個(gè)施工過(guò)程未遇突發(fā)狀況，始終按照該速度進(jìn)行。以導(dǎo)流洞入口為起點(diǎn)，記導(dǎo)流洞不同位置距入口距離為x，繪制導(dǎo)流洞路徑不同位置處涌水量(圖4)。

圖4 施工過(guò)程中導(dǎo)流洞各側(cè)洞壁涌水量及總涌水量沿導(dǎo)流洞路徑變化趨勢(shì)Fig.4 Water inflow rate from different sides of wall along the entire tunnel alignment

由圖4可知，涌水集中發(fā)生于4號(hào)導(dǎo)流洞300～800m段與5號(hào)導(dǎo)流洞500～1 000m段。該段途經(jīng)滲透性較好的分區(qū) V，即揭露地層 P2β53，P2β43及 P2β13。此外，突發(fā)大量涌水發(fā)生于斷層位置，尤其在斷層F17處，兩條導(dǎo)流洞均出現(xiàn)涌水量最大值。4號(hào)導(dǎo)流洞涌水量最大達(dá)到 119．6m3/d，5號(hào)導(dǎo)流洞最大值為93．8m3/d。

導(dǎo)流洞施工作業(yè)面上涌水主要來(lái)自左右兩側(cè)洞壁，上下兩側(cè)洞壁僅在斷層位置對(duì)導(dǎo)流洞涌水有一定貢獻(xiàn)。斷層走向均與導(dǎo)流洞路徑斜交，左右兩側(cè)洞壁穿過(guò)斷層并發(fā)生突發(fā)大量涌水的時(shí)間一前一后。由于本例設(shè)計(jì)兩條導(dǎo)流洞按相同方案同時(shí)由入口開挖，進(jìn)入中部與河流平行段后，4號(hào)導(dǎo)流洞施工面略領(lǐng)先于5號(hào)導(dǎo)流洞(圖(5)b，c)。5號(hào)導(dǎo)流洞左側(cè)洞壁緊鄰4號(hào)導(dǎo)流洞已建部分，由于流場(chǎng)發(fā)生改變，來(lái)自該側(cè)的涌水貢獻(xiàn)也相應(yīng)受一定影響。

圖5 導(dǎo)流洞所在橫切面在施工過(guò)程各時(shí)刻壓強(qiáng)分布Fig.5 Pressure distribution at different time steps

3.2 未考慮施工方案

為比較應(yīng)用施工方案后對(duì)涌水模擬的影響，本文計(jì)算了未考慮施工過(guò)程的涌水結(jié)果。此時(shí)，假設(shè)兩條導(dǎo)流洞均已建成，作為內(nèi)邊界條件加入模型。為計(jì)算涌水，整個(gè)導(dǎo)流洞沒(méi)有進(jìn)行混凝土襯砌處理。模擬時(shí)間設(shè)為半個(gè)月，計(jì)算結(jié)果與前例比較，見圖6。

圖6 已考慮與未考慮開挖過(guò)程時(shí)的總涌水量沿導(dǎo)流洞路徑變化趨勢(shì)Fig.6 Water inflow rate calculated with or without considering the excavation process

由圖6可知，未考慮施工方案時(shí)的模擬結(jié)果明顯低估了導(dǎo)流洞的涌水量。4號(hào)與5號(hào)導(dǎo)流洞的涌水量，除斷層 F17位置外，均低于20m3/d。需要說(shuō)明的是，此時(shí)也為兩條導(dǎo)流洞同時(shí)修建，可能在一定程度上對(duì)彼此的涌水量產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

(1)基于白鶴灘水電站右岸滲流場(chǎng)數(shù)值模型，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了考慮施工過(guò)程的導(dǎo)流洞涌水模擬。計(jì)算結(jié)果顯示，在導(dǎo)流洞軸線兩側(cè)形成水位降落，使天然滲流場(chǎng)改變，并形成集水廊道。根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，涌水集中發(fā)生在滲透性良好的分區(qū)V。此外，斷層附近是涌水量突增的主要發(fā)生地點(diǎn)。由于地層P2β4與P2β3的滲透性對(duì)導(dǎo)流洞的涌水量影響顯著，導(dǎo)流洞開挖揭露該巖層段時(shí)需要做好防滲與排水準(zhǔn)備。研究區(qū)內(nèi)5條導(dǎo)水?dāng)鄬拥臐B透系數(shù)較大，易形成局部涌水噴涌，超出正常排水設(shè)施能力。斷層部位的突然涌水，對(duì)導(dǎo)流洞總涌水量的貢獻(xiàn)很大，所以斷層帶滲透系數(shù)值的確定對(duì)導(dǎo)流洞總涌水量的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。

(2)基于TOUGH2建立動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，可以靈活控制導(dǎo)流洞工程施工過(guò)程并模擬預(yù)測(cè)該過(guò)程中的涌水量大小。模擬系統(tǒng)由一系列連續(xù)的施工步組成，每一步完成諸如導(dǎo)流洞開挖，混凝土襯砌，初始條件轉(zhuǎn)換等任務(wù)。任務(wù)保存于一系列施工文件中，通過(guò)相應(yīng)修改，可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜施工方案。本文以入口開挖出口結(jié)束的方案為例，假設(shè)兩條導(dǎo)流洞按照相同不變的開挖方案同時(shí)進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果顯示出這一方法的可行性。通過(guò)比較，未考慮施工方案時(shí)的模擬結(jié)果將嚴(yán)重低估導(dǎo)流洞的涌水量大小。由于白鶴灘右岸設(shè)計(jì)建造兩條導(dǎo)流洞，具體施工過(guò)程情況復(fù)雜，對(duì)兩條導(dǎo)流洞之間可能存在的影響，需要進(jìn)一步的研究。

(3)導(dǎo)流洞開挖位置位于正常河水位以下，在地下水流量及水力梯度增大時(shí)易形成涌水、突水現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致隧道塌方等事故，延緩施工進(jìn)度。對(duì)導(dǎo)流洞開挖過(guò)程中的涌水量進(jìn)行數(shù)值模擬，及對(duì)可能發(fā)生涌突水點(diǎn)的斷面進(jìn)行涌水量大小預(yù)測(cè)，可以為導(dǎo)流洞安全施工及防滲排水設(shè)施計(jì)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。

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