谢 桃， 肖 玉 会， 周 涛， 王 坤 雷

(四川省清源工程咨询有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

古瓦水电站发电厂房位于四川省甘孜藏族自治州乡城县境内，是硕曲河干流乡城、得荣段“一库六级”梯级开发方案的“龙头水库”电站。工程采用混合式开发，拦河大坝最大坝高139 m，总库容2.4亿m3。

古瓦水电站引水隧洞沿线河谷狭窄，山体雄厚，谷坡陡峻，属典型的中高山峡谷地貌，谷坡地形自然坡度40°～55°。隧洞全长20.427 km，纵坡i=3.084‰。该次计算中引水隧洞穿越洪祖沟和洼龙沟两条支沟，沟内常年流水，过沟段谷底宽约100～110 m，两岸基岩零星出露。过沟段隧洞上覆岩体厚约30～35 m，岩体裂隙较发育，地下水活动性较强，围岩稳定性较差，围岩主要为Ⅳ类和Ⅴ类。同时，古瓦引水隧洞过沟浅埋段洞内最大内水压力水头大于100 m，该段属于浅埋高压段隧洞，存在内水外渗的风险，对隧洞结构及周边环境的稳定性存在较大的安全隐患。通过对古瓦水电站两个过沟浅埋段不同工况下引水隧洞钢衬长度的敏感性分析，为类似引水隧洞工程提供借鉴经验。

2 基本理论思路

目前，高压隧洞透水衬砌设计理论已被广泛认可[1～4]。透水衬砌理论将钢筋混凝土衬砌和围岩均视为透水介质，在高内水压作用下钢筋混凝土衬砌存在开裂风险，并引发内水外渗，内水压力将透过衬砌直接作用在围岩表面，随着时间推移，将在围岩内形成新的渗流场，该渗流场可能对地层产生不利影响。陈奇，倪小东等[5]通过对杭州千岛湖高压输水隧洞浅埋段衬砌数值计算分析，得出隧洞埋深最浅时，隧洞各点应力值最大，差异性也最大，隧洞受力最不均匀，衬砌最易开裂，而随着埋深增加，衬砌内壁上各点的应力值趋向统一。同时提出，工程在埋深小于80 m时应当考虑衬砌保护措施以防止高内压导致较小埋深区段出现衬砌开裂的工程建议。

因此，普遍认为高压隧洞衬砌是存在开裂透水风险的，对于深埋段且围岩地质条件较好的洞段，对隧洞及周边环境安全影响不大。而对于高压引水隧洞的浅埋段则存在较大的安全隐患。

由于古瓦水电站引水隧洞洪祖沟过沟段和洼龙沟过沟段埋深约32 m，埋藏较浅，不满足隧洞埋深要求，且洞内内水压力水头大于100 m，针对该浅埋高压段衬砌采用了钢板衬护设计。

采用《水工隧洞设计规范》SL-279-2016中挪威准则[6]进行计算，如下式：

式中CRW为岩体最小覆盖厚度(不包括全、强风化厚度)，m；hs为洞内静水压力水头，m；γw为水的容重，kN/m3；γR为岩体的容重，kN/m3；α为河谷岸边边坡倾角，°，当α>60°时，取α=60°；F为经验系数，可取1.3～1.5。

通过上式计算得出的岩体最小覆盖厚度，分析得出引水隧洞过洪祖沟和洼龙沟段钢衬段长度分别为225 m和185 m。挪威准则虽然给出了引水隧洞最小埋深的设计标准，但是并未给出不同埋深下围岩的应力计算式，其仅是经验公式，可用于定性判定隧洞安全性，无法对结果进行定量描述，为分析围岩应力状态，需借助有限元分析法。

根据现场开挖反馈，该段围岩整体质量较差，为探讨浅埋钢衬段设计长度是否能满足要求，结合开挖揭示成果，对上、下游水位差最大的正常运行期的隧洞渗流场进行计算，该次计算主要对引水隧洞过沟位置的钢衬长度进行敏感性分析，以论证现有设计是否满足渗透稳定性。

3 二维渗流场计算

3.1 计算模型

该次渗流场分析采用二维有限元法进行计算。计算剖面选取引水隧洞的两个过沟(浅埋)段，洪祖沟过沟段和洼龙沟过沟段渗流计算模型见图1～2。

图1 洪祖沟过沟段渗流计算模型

图2 洼龙沟过沟段渗流计算模型

3.2 计算参数

该计算的各岩层参数指标由现场勘测资料或室内土工试验提供，包括各类围岩物理力学指标和渗透系数，古瓦引水隧洞过沟段渗流计算参数见表1。

表1 古瓦引水隧洞过沟段渗流计算参数

洪祖沟和洼龙沟沟水所形成的地下水压相比引水隧洞内水压所占权重极小，为方便计算和数据分析，并出于计算安全余幅的考虑，该次计算中不考虑其对内水压的抵消的有利作用，仅考虑隧洞在内水压力作用下，对隧洞围岩渗流场及应力场的影响。根据水工隧洞设计规范要求，结合洪祖沟和洼龙沟的实际情况，模型计算荷载包括自重、正常蓄水位时的水压力等。

3.3 计算工况

引水隧洞过洪祖沟和洼龙沟段的钢衬设计长度L分别为225 m和185 m，为研究钢衬段的合理性，对正常蓄水位时两过沟段隧洞分别拟定了以下7种工况进行渗流计算分析，古瓦引水隧洞过沟段渗流计算工况见表2。其中工况1为无衬工况，模拟混凝土衬砌开裂的情况；工况2为混凝土衬砌工况，模拟单混凝土衬砌的情况；工况3为钢板衬护工况，模拟过沟段钢衬长度为现有设计长度L的情况；工况4～7分别为钢衬长度增加现有设计长度的10%、20%、30%、40%的工况，用以对过沟位置的钢衬长度进行敏感性分析。工况7中钢衬加长至1.4 L后隧洞埋深已达挪威准则计算埋深的2倍厚度，完全满足过沟处隧洞上覆围岩埋深的要求，故无需再对钢衬进一步加长分析。

表2 古瓦引水隧洞过沟段渗流计算工况

4 计算成果分析

4.1 水力坡降及渗流量

洪祖沟和洼龙沟沟底表面为覆盖层，选择其中心点作为控制点分析其水力坡降，两过沟段渗流量采用单宽渗流量进行统计，渗流计算成果见表3。洪祖沟段各工况水力坡降趋势图、洪祖沟段各工况渗流量趋势图、洼龙沟段各工况水力坡降趋势图、洼龙沟段各工况渗流量趋势图见图3～6。

表3 渗流计算成果表

图3 洪祖沟段各工况水力坡降趋势图

图4 洪祖沟段各工况渗流量趋势图

图5 洼龙沟段各工况水力坡降趋势图

图6 洼龙沟段各工况渗流量趋势图

由渗流计算成果表可知：

(1) 沟内单宽渗流量在混凝土衬砌破坏时达0.47 m3/d以上；混凝土衬砌完好时，单宽渗流量相对于混凝土破坏时(下同)降低约90%(但需保证混凝土衬砌完好，不存在裂缝，这对于该浅埋高压段隧洞不容易满足，故很难达到模型计算效果)；增加钢衬L之后单宽渗流量降低约92%，效果明显；随着钢衬长度继续增加，单宽渗流量随之降低，但降幅并不明显，说明增加钢衬长度对减小单宽渗流量的作用不明显。

(2) 地表中心控制点水力坡降值在混凝土发生破坏时均大于0.15，在混凝土衬砌完好时小于0.1(但在该浅埋高压段较难保证衬砌完好，不开裂，故难以达到模型计算效果)；在加钢衬L后，较混凝土衬砌完好时进一步减小；随着钢衬长度的增加水力坡降趋于稳定。因此当混凝土破坏时该点可能会发生渗透破坏；混凝土衬砌完好和加钢衬后不会出现地表涌水和渗透破坏。但随着钢衬长度的增加对降低水力坡降作用并不明显。

4.2 浸润线分布图

引水隧洞洪祖沟及洼龙沟各工况浸润线分布图见图7、8。

图7 引水隧洞洪祖沟段各工况浸润线分布图

图8 引水隧洞洼龙沟段各工况浸润线分布图

从隧洞两过沟段各工况浸润线分布图可知，混凝土衬砌发生破坏之后浸润线位于地表以上部位，洪祖沟浸润线出逸点高于地面10 m，洼龙沟浸润线出逸点高于地面6.2 m。加衬后，浸润线下降至沟内地表处，采用钢板衬砌后，浸润线稍低于单混凝土衬砌，随着钢衬长度的增加，浸润线的高度变化不明显，说明钢衬段长度已满足设计要求，继续加长钢衬段长度意义不大。

4.3 成果分析

根据以上计算成果图表分析后表明：

(1)引水隧洞各工况下浸润线分布略有差异，模拟混凝土开裂的无衬工况1显示，浸润线位于地表以上部位，且地表中心控制点水力坡降值大于0.15，表明该点可能会发生渗透破坏。加衬后，浸润线下降至沟内地表以下，地表中心控制点水力坡降值降至0.1以下，因此引水隧洞加衬后不会出现地表涌水和渗透破坏。

(2)采用钢板衬砌后，浸润线稍低于单混凝土衬砌，水力坡降下降约25%以上，渗流量减少约23%以上，不会出现地表涌水现象。

(3) 钢衬段加长10%、20%、30%、40%后，与现设计长度相比，渗流场变化不明显，控制点的水力坡降值与渗流量变化较小，即继续增加钢衬长度对减少渗流量及渗透破坏作用有限，说明钢衬段长度已满足设计要求。

因此，考虑到工程投资及实际作用效果，引水隧洞洪祖沟过沟段钢衬设计长度225 m，洼龙沟过沟段钢衬设计长度185 m满足工程需要，不建议进一步加长。

5 结 语

通过对古瓦水电站引水隧洞浅埋高压段内水外渗渗流场的数值模拟分析，并结合工程实际经验，提出了采用适当长度的钢衬对该处进行处理的衬砌保护措施。数值模拟结果表明，钢衬对减少浅埋高压段渗流量，提高抗水力破坏能力具有较好的效果，可为今后类似引水隧洞工程设计提供一定借鉴经验。