瀑布沟水电站地下厂房岩体渗流场对围岩稳..

　　 瀑布沟水电站地下厂房岩体渗流场对围岩稳定的影响分析 苏鹏云1，肖　明2(1.国家电力公司成都勘测设计研究院，四川 成都610072；
2. 武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉430072)
摘　要：根据瀑布沟地下厂房所采取的防渗、排水措施，采用三维有限元方法分析 了施工开挖过程中岩体渗流场的变化，论证和分析了防渗帷幕和排水设施布置的合理性及必 要性。
关键词：地下厂房；渗流场；三维有限元法；围岩稳定性；瀑布沟水电站1前言
瀑布沟水电站位于大渡河中游，地处四川省西部汉源和甘洛两县境内，是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙等综合利用任务的大型水利水电工程。地下厂房洞室群是由主厂房、主变室、尾水闸门室、母线洞、交通洞、尾水隧洞和压力引水管道等纵横交错组成的复杂的地下空间结构。地下厂房洞室群位于坝轴线下游左岸花岗岩山体中，围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主，上覆岩体厚度220～360m。厂区岩体岩性单一，无大的断裂切割，地应力σ1=21.1～27.3MPa，方位N54°～84°E。通过厂房洞室群的主要断层有f14、f9、f13、f9-1、F2、F18、F28、F29八条。厂区岩体的物理力学指标计算参数见表1。由地下水和水库蓄水后形成的渗流场所产生的渗流荷载，将会对地下厂房洞室群围岩的稳定存在一定的影响。本文针对厂区洞室上游三层灌浆帷幕（高程为856.00m、796.00m、731.00m）和排水廊道（高程为649.00m、677.00m、695.70m）布置，结合选择的围岩锚固支护参数，分析岩体初始三维渗流场、施工期及运行期的渗流场分布规律，并对渗流场对洞室围岩稳定的影响进行分析比较，为工程设计和施工安全提供依据。? 2岩体三维渗流场分析方法

岩体主渗透坐标下的三维稳定渗流的基本渗流方程为〔1〕：

式中ＫXX, Ｋｙｙ, Ｋｚｚ——计算坐标下的主渗透系数；
Q——内源；
H——水头。
对上式进行积分求和，可得出三维有限元渗流的基本方程：

式中{H}——有限单元结点水头；
{F}——对渗流边界积分引起的结点荷载；
〔A〕——三维有限元渗流的单元传导矩阵。
矩阵中的元数分别为：

式中Ni——单元的形函数；
〔B〕——单元的几何矩阵；
〔K〕——三个渗透系数矩阵。
式（3）右端第1项为第一类渗流边界引起的结点荷载，第2项为第二类渗流边界引起的结点荷载。
当主渗透方向与坐标轴不一致时，〔Ｋ〕可根据主渗透系数矩阵〔K＇〕和三个主渗透方向的局部坐标与整体坐标的转换关系矩阵〔R〕，按下式确定：

为了便于有限元网格剖分，可将地下洞室视为岩体的积水单元〔2〕。所谓积水单元是一种渗流的内边界，其流量是水头的函数，

其中ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ?——渗流过水断面的法向矢量。
积水单元水头是未知的，对单元的六个过流面进行积分，则可得到：
3洞室群三维岩体渗流场分析
3.1渗流场计算网格
根据地下厂房洞室群和排水廊道、防渗帷幕的布置，建立三维渗流场计算模型。模型的坐标沿x、y、z轴三个方向的计算范围分别为1 229.0m、84.9m、678.1m；沿z轴方向计算范围从高程307.6m到985.7m，沿x轴方向计算范围从厂房上游－402.0m到下游827.0m，沿y轴方向计算范围从-9.4m到75.4m。坐标原点位于厂房纵轴线与6号机组中心线的交点。三维渗流场计算网格一共剖分了2 2640个8结点的空间单元，4～6号机组段施工期开挖洞室单元划分见图1，4～6号机组段运行期帷幕和排水廊道布置见图2。3.2渗流场计算条件和工况


瀑布沟水电站地下厂房岩体渗流场对围岩稳定的影响分析 : 　
（1）计算工况1：计算地下洞室开挖前的初始渗流场。
（2）计算工况2～8：计算施工期第一期到第七期开挖情况下的渗流场变化。施工期的渗流计算只考虑了洞室开挖的影响，没有考虑排水廊道和防渗帷幕的影响，地下水线按825～819m高程考虑。4～6号机组段计算模型分期开挖顺序见图3。

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（3）计算工况9：计算运行期在水库蓄水后的渗流变化情况。分析时考虑了洞室开挖的影响和排水廊道及防渗帷幕的作用（见图2），除考虑山体的地下水外，考虑了上游水库的蓄水影响。上游水位按正常蓄水位850m计算，下游水位按一台机运行水位667.6m考虑。
3.3渗流场分析计算特征
9种计算工况下的岩体渗流场具有以下特征：
论文瀑布沟水电站地下厂房岩体渗流场对围岩稳定的影响分析

（1）在地下洞室开挖前，岩体渗流场的渗流等势线分布较均匀，等势线从上游到下游逐渐减小。在主厂房上游由于有断层f23，使得该区域的渗流加大，渗流等势线较稀疏，其他部位的渗流等势线分布较均匀。从等水头线分布图可见，在地下洞室开挖前，岩体渗流的等水头分布均匀，从上到下逐渐加大，说明初始渗流场主要受地下水影响。
（2）第一期地下洞室开挖后，与初始渗流场比较，主厂房处的渗流等势线迅速下降，在主厂房顶拱处渗流等势线大约由819m降至800m，在尾闸室处渗流等势线大约由815m降至795m。由此说明地下洞室的开挖，起到了一定的排水作用，地下水对地下厂房洞室群开挖有一定影响。
（3）在随后的各期开挖中，由于地下洞室起到了一定的排水作用，随着地下洞室开挖的加大，排水效果增加，因此靠近地下厂房洞室处的渗流等势线随着开挖的深入不断减小。第一期到第三期开挖，每期开挖主厂房处的渗流等势线大约减小10～20m，到第四期开挖完毕，主厂房和尾闸室处的渗流等势线的值分别降至750m和735m。从第四期开挖以后，洞室开挖对洞周渗流等势线的变化影响逐渐减小，比较第六期开挖和第七期开挖的渗流等势线，两者基本相同。第七期主厂房和尾闸室处的渗流等势线的值分别大致降为720m和694m。
（4）洞室开挖完毕、水库蓄水后，由于上游水位提高，靠近帷幕上游的渗流等势线的值提高较大，因此该处等势线的梯度变化较大。由于防渗帷幕起了较好的阻水作用，加上主厂房上游排水廊道的作用，在主厂房和尾闸室处的渗流等势线的值分别大致降为660m和677m。主厂房的渗流等势线下降较大，说明排水廊道的作用较明显。
（5）施工期（第七期开挖完毕）和运行期的等水头线分布在远离洞室群处基本相同。施工期等水头线在洞周大约有10～20m的作用水头，在运行期则基本为0，但在上游防渗帷幕处作用水头较大，从80m到150m，对洞室围岩稳定有一定影响。可见，运行期的渗流等势线受防渗帷幕和排水廊道布置影响较大。5号机组渗流等水头线见图4。? 4岩体渗流场对地下厂房洞室围岩稳定影响的分析
为了反映地下水和水库蓄水后，渗流对地下厂房洞室群围岩稳定的影响，对施工期和运行期的渗流场进行了分析，根据施工期和运行期渗流场产生的渗流荷载，分别对施工开挖和运行期的围岩稳定进行了分析。计算模型与典型机组段分析计算模型相同。将考虑施工期渗流场和考虑水库蓄水后渗流场的计算结果与不考虑渗流影响的分析结果比较，可以看出以下特征：
（1）不考虑渗流作用和考虑施工期、运行期渗流影响的洞周围岩破坏区分布特征基本相同。三者最终的破坏体积分别为58 646m3、63 096m3和63 463m3；塑性耗散能分别为22 354t·m、26 670t·m和30 261t·m。在施工期渗流和运行期渗流作用下，围岩的破坏体积分别比不考虑渗流作用情况下增加7.6%和8.2%；而塑性耗散能分别增加19.3%和35.4%。由此说明考虑渗流后，岩体的应力扰动和破坏区有所增加，但增加量很小。比较施工期和运行期渗流对围岩稳定的影响，两者相差不大。运行期地下水虽然比施工期有较大增加，但由于有排水和防渗帷幕等阻水措施，运行期渗流对洞室的稳定影响很小。
（2）比较不考虑渗流作用和考虑施工、运行期渗流作用三种工况的洞周应力场分布可见，三者的应力分布规律基本相同。考虑渗流作用时，洞周的应力值要大一些，应力集中程度也有所增加，应力偏张量也略有加大；在洞室顶拱变化较小，边墙变化稍大，但总的变幅不到2MPa。说明渗流场对洞周应力分布格局没有多大改变，只是使应力集中程度有所增加。施工期和运行期渗流作用后的洞周应力分布变化相差微小，说明运行期渗流对洞室的应力变化影响很小。


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（3）考虑渗流影响后，喷层拉应力的变化规律和大小与不考虑渗流影响的情况基本相似。但考虑渗流后，洞室喷层的应力普遍增大，增加幅度约为0.1～0.3MPa，压应力值增加幅度约为-0.1～-0.5MPa；在施工期渗流作用和运行期渗流作用下，喷层应力基本相同，差别微小。由此说明渗流场对喷层应力分布影响较小。
（4）考虑渗流作用后，断层的滑动安全系数比不考虑渗流情况略有减小。除了在主变洞顶拱断层F2交口处，断层的滑动安全系数小于1.0外，其他部位考虑渗流作用后，断层的滑动安全系数分布值为1.01～5.08，而不考虑渗流作用时断层的滑动安全系数分布值为1.16～5.34。可见，渗流使断层的滑动安全系数略有降低，但降低幅值很小。施工期和运行期渗流作用后的断层滑动安全系数相差微小，说明运行期渗流对断层的稳定影响很小。
（5）考虑渗流作用后，单元的点安全系数有微小调整，有些部位略降低，如主变洞顶拱和尾闸室边墙大约降低0.08～0.12，而有些部位略提高，如主厂房洞周安全系数大约增加0.01～0.04。在施工期和运行期渗流作用下的单元的点安全系数基本相同，说明渗流对单元的点安全系数影响很小。
（6）考虑施工期渗流作用后，锚杆和锚索应力比不考虑渗流作用时有所增加，增加幅度为4～7MPa。考虑运行期渗流作用后，锚杆和锚索应力比施工期约增加2～6MPa。在各种计算工况下，锚杆和锚索应力的分布规律基本相同，说明渗流对锚杆和锚索应力影响不大。
（7）考虑施工期渗流作用后，洞室边墙的位移增大，主厂房上、下游边墙最大位移分别为5.66cm和6.12cm，比不考虑渗流作用分别增加了0.67cm和0.72cm，增幅约为13.4%和13.3%。从洞周的位移分布情况看，考虑渗流作用后，边墙位移增加了0.4～0.7cm，而洞室顶拱位移减小了0.1～0.4cm。这说明渗流使边墙位移加大，引起洞室顶拱向上起拱，加大了围岩变形，对洞室稳定不利。
（8）施工期和运行期考虑渗流作用后的洞周位移分布规律基本相同，但运行期的要小一些，减小0.1～0.4cm。这主要是施工期渗流没有考虑排水措施作用，而运行期考虑了排水设施作用，渗流荷载有所减小，使得洞周位移也有所减小，说明排水设施有效缓解了渗流对洞周围岩变形的影响，提高了洞室围岩稳定特性。?
综上所述：考虑施工期渗流作用后，围岩破坏区、洞周应力、锚杆应力、喷层应力、断层滑动系数、单元点安全系数都有所变化，但变化量值较小，洞周的位移变形稍大，说明渗流对洞室围岩稳定有一定影响，但总体影响不大。运行期考虑了排水设施效果，渗流对洞室围岩稳定影响相对较小。5结论
施工期间第一期至第四期的开挖，使洞室处的地下水位降低较明显，第五期至第七期开挖，渗流等势线变化较小；围岩破坏区、洞周应力、锚杆应力、喷层应力、断层滑动系数、单元点安全系数都有所变化，但变化量值较小，洞周的位移变形、破坏区略有增大，说明施工期地下水对围岩稳定有一定影响，因此应加大施工期的排水，保证施工安全。
运行期水库蓄水，地下水位抬高，对渗流场分布有一定影响。由于运行期考虑了排水廊道和

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