姚新剛，胡正凱，邱乾勇

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210006)

句容抽水蓄能電站關(guān)鍵斷層F113的敏感性分析

姚新剛1，胡正凱1，邱乾勇2

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210006)

句容抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)沿線斷層發(fā)育，斷層的存在對(duì)地下滲流場(chǎng)影響很大.通過找出對(duì)地下廠房區(qū)滲流場(chǎng)影響最大的關(guān)鍵斷層F113，從滲透系數(shù)和斷層厚度兩方面對(duì)其進(jìn)行敏感性分析，從而得到該斷層合理參數(shù),并應(yīng)用于地下廠房三維滲流場(chǎng)仿真計(jì)算.

句容抽水蓄能電站；斷層F113；三維滲流場(chǎng)；敏感性分析

斷層的存在對(duì)地下滲流場(chǎng)影響很大.王博等從斷層傾向、走向、滲透性等方面探討了斷層對(duì)滲流場(chǎng)的影響[1]；劉善利等研究了斷層(破碎帶)對(duì)工程滲流場(chǎng)的影響[2-5]；卞康等表明水頭等值線在斷層附近存在突變[6].對(duì)于張性斷層，一般表現(xiàn)為導(dǎo)水性質(zhì)，而且導(dǎo)水能力很強(qiáng)[7].此類構(gòu)造法向滲透系數(shù)很小，而切向滲透系數(shù)較周圍地層大很多.句容抽蓄輸水系統(tǒng)沿線斷層發(fā)育，Ⅲ級(jí)以上結(jié)構(gòu)面多達(dá)43條，巖溶中等發(fā)育.斷層處由于常年有地下水通過，該處巖體可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)育成溶蝕裂隙，該斷層將會(huì)有很強(qiáng)的導(dǎo)水性能.因此，對(duì)于某些關(guān)鍵斷層有必要深入研究其對(duì)地下廠區(qū)滲流場(chǎng)的影響.本文首先對(duì)工程區(qū)主要斷層進(jìn)行試算，找出對(duì)地下廠區(qū)滲流場(chǎng)影響最大的關(guān)鍵斷層，然后對(duì)其進(jìn)行敏感性分析，最終確定關(guān)鍵斷層的參數(shù)，應(yīng)用于地下廠房三維滲流場(chǎng)仿真計(jì)算.

1 水文地質(zhì)條件

句容抽水蓄能電站位于江蘇省句容市境內(nèi)，地下廠房、主變洞位于地下水位以下，廠房區(qū)巖體透水率以小于3Lu為主，透水性小，屬弱～微透水性.平洞揭露的斷層F30、f32、f34、f36穿過廠房.廠區(qū)外圍斷層發(fā)育，如f38、f33、F45、F44等，斷層帶均具溶蝕現(xiàn)象，紅色粘土充填，暴雨季節(jié)f33、f29、f38斷層帶涌水量達(dá)240～700 L/min.因此廠房區(qū)內(nèi)存在管道—溶孔-裂隙含水層，地下水活動(dòng)受結(jié)構(gòu)面、溶蝕裂隙控制，在施工及運(yùn)行期間存在巖溶水的滲漏補(bǔ)給，估計(jì)涌水量較大.

斷層F113位于引水豎井上游約120 m，距地下廠房上游側(cè)約260 m，屬于Ⅱ級(jí)張性結(jié)構(gòu)面.產(chǎn)狀N35°～40°W,NE∠80°～85°，寬度3.5 m，呈全～強(qiáng)風(fēng)化狀，巖脈內(nèi)見不同方向的磨光面及擦痕，上盤面局部溶蝕強(qiáng)烈，形成溶蝕裂隙，寬為10～30 cm，后期方解石脈充填.輸水系統(tǒng)地質(zhì)縱剖面(見圖1).

2 地下廠房防滲排水措施

利用地下廠房四周排水廊道及洞頂灌漿廊道，進(jìn)行帷幕灌漿并布置排水孔，形成全封閉灌漿帷幕和全封閉排水孔幕，從而將地下廠房、主變洞與帷幕外地下水相對(duì)隔離.典型布置(見圖2).

圖2 地下廠房橫剖面防滲排水布置

3 斷層F113對(duì)地下廠房滲流場(chǎng)影響

通過建立整個(gè)工程區(qū)三維有限元模型(見圖3)，對(duì)地下廠房區(qū)進(jìn)行三維滲流場(chǎng)分析.對(duì)于地下廠房區(qū)域，除主要洞室和附屬洞室外，還模擬了四層排水廊道、全封閉帷幕和全封閉排水孔幕.另外對(duì)于工程區(qū)主要斷層進(jìn)行了模擬，根據(jù)等效連續(xù)介質(zhì)理論，將斷層等效為一定寬度、滲透性為各向異性的連續(xù)介質(zhì)體.姚新剛等對(duì)仿真模擬的具體計(jì)算模型、邊界條件以及參數(shù)選取已作詳述[8]，此處不再說明.

以上庫正常蓄水位▽267.0 m，下庫死水位▽65.0 m作為典型工況，進(jìn)行地下廠房滲流場(chǎng)仿真模擬計(jì)算.廠區(qū)橫剖面水頭等值線圖(見圖4).

圖3 句容抽水蓄能電站三維有限元網(wǎng)格側(cè)視圖

圖4 廠區(qū)橫剖面水頭等值線圖

由圖4可知，由于廠區(qū)地下廠房洞和主變洞開挖，廠區(qū)附近巖體中的地下水向廠區(qū)開挖洞室匯水，受引水豎井前方斷層F113的影響，自由面發(fā)生跌落(從▽61.0 m降至▽54.9 m，降幅為6.1 m).由此可見引水豎井前端的F113斷層具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性能，自由面通過F113斷層后迅速降低，對(duì)廠區(qū)滲流場(chǎng)分布具有較大影響.因此F113斷層參數(shù)的取值對(duì)地下廠區(qū)防滲排水措施滲控效果的評(píng)估影響較大，有必要對(duì)其進(jìn)行敏感性分析.

4 斷層滲透系數(shù)敏感性分析

針對(duì)F113斷層,以上庫正常蓄水位▽267.0 m，下庫死水位▽65.0 m為前提，從滲透系數(shù)和斷層厚度兩個(gè)方面，設(shè)置多種不同工況進(jìn)行敏感性分析.對(duì)于滲透系數(shù)，將其切向和法向的滲透系數(shù)比值分別設(shè)為1倍(各向同性)、10倍、100倍、1 000倍四種情況，各情況下廠區(qū)橫剖面水頭等值線圖(見圖5).由圖5可以看出：

(1)不同滲透系數(shù)比值下整體水頭等值線以及自由面分布規(guī)律基本類似.不同點(diǎn)在于，隨著滲透系數(shù)比值的加大，水頭等值線開始不斷在F113斷層處聚集.

(2)當(dāng)斷層F113的滲透系數(shù)比為1(各向同性)時(shí)，自由面在遇到斷層直面前，隨著滲透過程的逐步推進(jìn)，呈均勻緩慢下降趨勢(shì).而遇到斷層時(shí)，由于斷層滲透系數(shù)比周圍巖體大一個(gè)數(shù)量級(jí)，自由面經(jīng)過斷層幾乎沒有下降.

(3)當(dāng)斷層F113的滲透系數(shù)比為10 ∶1時(shí)，水頭等值線分布規(guī)律與各向同性工況基本類似.只是在自由面遇到斷層時(shí)，略微有所下降，水頭損失不到5 m，平均水力坡降0.29非常小，阻水導(dǎo)滲效果不明顯.

(4)當(dāng)斷層F113的滲透系數(shù)比為100 ∶1時(shí)，自由面在穿越斷層時(shí)，水頭損失明顯，水力坡降1.94也在合理范圍內(nèi)，比較符合實(shí)際情況.

(5)當(dāng)斷層F113的滲透系數(shù)比為1 000 ∶1時(shí)，自由面在穿越斷層時(shí)水頭迅速跌落，水力坡降5.83大大超出允許值，阻水導(dǎo)滲效果“異?！泵黠@，這也不符合天然實(shí)際情況.

綜上所述，斷層F113的滲透系數(shù)在切向與法向之比為100 ∶1時(shí)，無論是整體水頭等值線分布情況還是斷層的導(dǎo)水阻水性能均能夠得到合理地反映，比較符合實(shí)際情況.因此，在句容抽蓄三維有限元滲流計(jì)算中，對(duì)于斷層F113，取其切向與法向滲透系數(shù)之比為100 ∶1.

5 斷層厚度敏感性分析

以上庫正常蓄水位▽267.0 m，下庫死水位▽65.0 m，對(duì)斷層厚度分別取3.5 m、7.0 m和14.0 m三種情況進(jìn)行敏感性分析.根據(jù)斷層滲透系數(shù)敏感性分析，取斷層F113切向與法向滲透系數(shù)之比為100 ∶1.不同斷層厚度廠區(qū)橫剖面水頭等值線圖(見圖6).由圖6可知：當(dāng)斷層切向和法向滲透性相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，自由面開始出現(xiàn)明顯跌落.當(dāng)寬度為3.5 m時(shí)自由面降幅為4.79 m，平均坡降為1.37；當(dāng)寬度為7.0 m時(shí)自由面降幅為9.80 m，平均坡降為1.40；當(dāng)寬度為14.0 m時(shí)自由面降幅為27.16 m，平均坡降為1.94.

圖5 四種F113斷層切向和法向的滲透系數(shù)比值時(shí)水頭等值線圖

由此可知,各向異性比為100 ∶1時(shí)，隨著斷層厚度的不斷增加，阻水導(dǎo)水效果越來越明顯，斷層內(nèi)平均滲透坡降也穩(wěn)步增長(zhǎng)(幾乎快達(dá)到基巖的允許坡降值).尤其是寬度為14.0 m時(shí)穿越斷層后自由面降幅多于27.16 m，這在實(shí)際工程中是有可能存在的.由于工程區(qū)現(xiàn)場(chǎng)斷層厚度有一定變化范圍.因此對(duì)厚度變化較大的斷層應(yīng)給予重視，防止周邊巖體發(fā)生滲透破壞，進(jìn)而危及廠區(qū)安全.

圖6 三種斷層厚度時(shí)水頭等值線圖

6 結(jié) 論

(1)地下廠區(qū)滲流場(chǎng)分析表明，F(xiàn)113斷層具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性，地下水自由面通過F113斷層后迅速降低，對(duì)廠區(qū)滲流場(chǎng)分布具有較大影響，有必要對(duì)其進(jìn)行敏感性分析.

(2)斷層F113的滲透系數(shù)在切向與法向之比為100 ∶1時(shí)，無論是整體水頭等值線分布還是斷層的導(dǎo)水阻水性能均能夠得到合理地反映，比較符合實(shí)際情況.在句容抽蓄三維有限元滲流計(jì)算中，對(duì)于斷層F113，取其切向與法向滲透系數(shù)之比為100 ∶1.

(3)斷層F113滲透系數(shù)比為100 ∶1時(shí)，隨著斷層厚度增加，阻水導(dǎo)水效果越來越明顯，斷層內(nèi)平均滲透坡降逐步增長(zhǎng).斷層F113導(dǎo)水效果越好，對(duì)地下廠區(qū)防滲排水更有利.但實(shí)際計(jì)算時(shí)為保守起見，應(yīng)剔除斷層厚度越大所帶來的有利影響，即取斷層F113厚度為3.5 m進(jìn)行計(jì)算.

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SensitivityAnalysisofCriticalFaultF113inJurongPumpedStoragePowerStation

YAO Xin-gang1, HU Zheng-kai1, QIU Qian-yong2

(1.Powerchina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, China; 2.NanjingWater Resources Planning and Design Institute Co., Ltd., Nanjing 210006, China)

The faults develop along the waterway system of Jurong Pumped Storage Power Station, which influence the underground seepage field greatly. The critical fault F113 with the greatest influence on seepage field of underground powerhouse area was found. And the sensitivity analysis was done in terms of permeability coefficient and fault width to get the reasonable parameters in analogue stimulating calculation of 3-D seepage field for underground powerhouse.

Jurong Pumped Storage Power Station; fault F113; 3-D seepage field; sensitivity analysis

2016-07-11

姚新剛(1984-)，男，江西吉安人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗娬緩S房動(dòng)靜力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

TV731.6

A

1008-536X(2016)12-0016-05