劉錄君，季 聰（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130021）

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隧洞岔管高壓壓水試驗(yàn)及成果分析

劉錄君，季 聰
（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130021）

［摘 要］荒溝抽水蓄能電站地下廠房為埋深約300m的地下洞室群，壓力管道最大工作水頭為700m左右，均為鋼筋混凝土襯砌。因此，在引水岔管采用合理的試驗(yàn)方法，進(jìn)行高壓壓水試驗(yàn)，從而測定高壓岔管部位圍巖在高水頭下的滲透特性、滲透穩(wěn)定性及臨界壓力。

［關(guān)鍵詞］荒溝抽水蓄能電站；高壓壓水試驗(yàn)；臨界壓力

1　工程概況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內(nèi)，距牡丹江市約130 km，距蓮花水電站約45 km。

該電站系以三道河右岸的山間洼地作為上水庫，已建的蓮花水庫作為下水庫。電站裝機(jī)1 200 MW，是一座大型抽水蓄能水電站。上水庫正常蓄水位652.50 m，總庫容1 161×104m3。下水庫正常蓄水位218m。其樞紐建筑物主要由上水庫擋水主壩、庫尾埡口擋水副壩、輸水隧洞、上下游調(diào)壓井和中部地下廠房等組成。

輸水隧洞高壓岔管位于下平段后，型式為“卜”型，分岔角為60°，岔管內(nèi)徑由6.7 m漸變至3.9 m，岔管段長度為25 m（沿主管軸線方向）。引水岔管承受最大內(nèi)水壓力約7 MPa，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.8 m，雙層配筋。

壓力管道最大工作水頭為700 m左右，正常工況下工作水頭為512.96 m。

2　高壓壓水試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

高壓壓水試驗(yàn)的目的是在高壓岔管部位選擇有代表性試驗(yàn)段，進(jìn)行管道內(nèi)水壓力1.2倍的專門性高壓壓水試驗(yàn)，測定輸水隧洞高壓岔管部位圍巖在高水頭下的滲透特性、滲透穩(wěn)定性及臨界壓力，為高壓岔管設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3　試驗(yàn)地段地質(zhì)簡況

據(jù)位于高壓岔管部位的ZK181鉆孔巖芯及孔內(nèi)數(shù)字成像資料分析，孔內(nèi)共見有f39～f46、F54等9條斷層通過。上述斷層規(guī)模一般較小，寬度多小于0.1 m，其中f45斷層規(guī)模最大，破碎帶寬度4.24 m，f46，f41斷層寬度分別為0.21 m和0.44 m。按斷層產(chǎn)狀分析，僅f46斷層可能通過高壓岔管。岔管附近基巖節(jié)理裂隙不發(fā)育。以傾角55°～85°的中、陡傾角節(jié)理為主，其次為傾角20°～40°的緩傾角節(jié)理。節(jié)理間距一般50～200 cm，張開0～1.5 mm，充填石英薄膜或巖屑。

4　高壓壓水試驗(yàn)主要技術(shù)要求

4.1試驗(yàn)設(shè)備

這次高壓壓水試驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備包括高壓水泵、自動記錄儀、電磁流量計(jì)、壓力表、試驗(yàn)栓塞、栓塞外管、栓塞內(nèi)管、地面注水脹塞系統(tǒng)等。

4.2試驗(yàn)鉆孔

在高壓岔管地表布置高壓壓水試驗(yàn)鉆孔1個，編號ZK181，設(shè)計(jì)孔深按高壓岔管中心線（139.54 m高程）以下15 m控制，鉆孔地面高程557.34 m，終孔孔深433.80 m。

4.3試段劃分

高壓岔管中心線設(shè)計(jì)高程為139.54 m，在孔底以上30 m，即岔管中心線上下各15 m范圍內(nèi)固定6段高壓壓水試驗(yàn)，每段段長4.95 m，試驗(yàn)高程152.19～125.09 m；此外，根據(jù)鉆孔巖芯編錄及孔內(nèi)數(shù)字成像成果，選擇高程178.34～173.39 m可能通過高壓岔管的斷層破碎帶巖體進(jìn)行1段高壓壓水試驗(yàn)。最后確定了7段高壓壓水試段。其中第7段為斷層部位。

4.4試驗(yàn)壓力

依據(jù)DL/T5331-2005《水電水利工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》附錄A的規(guī)定，高壓壓水試驗(yàn)最高壓力不宜小于建筑物工作水頭的1.2倍。該工程壓力管道最大工作水頭為700 m左右，確定最大試驗(yàn)壓力為8.4 MPa，試驗(yàn)壓力范圍為1～8.4 MPa。

4.5加壓及循環(huán)方式、延續(xù)時間

根據(jù)鉆孔地質(zhì)編錄情況，結(jié)合鉆孔數(shù)字成像成果，第一段～第六段多為完整巖體，局部為較完整巖體，第七段為破碎（斷層破碎帶）巖體。因此，加壓及循環(huán)方式、延續(xù)時間分完整巖體和破碎巖體兩種情況。

4.5.1完整巖體

完整巖體的試驗(yàn)?zāi)康闹饕獮闇y定巖體在高壓水頭作用下的滲透特性。自孔底向上共選擇六段進(jìn)行高壓壓水試驗(yàn)。其中洞頂拱第五段采用4個循環(huán)進(jìn)行高壓壓水試驗(yàn)，其余五段均采用單循環(huán)。

1）單循環(huán)加（減）壓。單循環(huán)選用8個壓力值12個壓力階段，每級壓力及循環(huán)方式如下：1 MPa→2 MPa→3 MPa→4 MPa→5 MPa→6 MPa→7 MPa→8.4 MPa→7 MPa→5 MPa→3 MPa→1 Mpa。

試驗(yàn)升壓時，每級壓力流量穩(wěn)定后持續(xù)5 min，出現(xiàn)臨界壓力后的每級壓力流量穩(wěn)定后應(yīng)持續(xù)30 min；加至最高壓力時穩(wěn)定壓力讀數(shù)持續(xù)30 min；卸壓時每級壓力流量穩(wěn)定后持續(xù)5 min。

2）4個循環(huán)加（減）壓。第1循環(huán)選用8個壓力值12個壓力階段，每級壓力及循環(huán)方式為1 MPa→2 MPa→3 MPa→4 MPa→5 MPa→6 MPa→7 MPa→8.4 MPa→7 MPa→5 MPa→3 MPa→1 MPa。

第2，3循環(huán)選用5個壓力值9個壓力階段，每級壓力及循環(huán)方式為1 MPa→3 MPa→5 MPa→7 MPa→8.4 MPa→7 MPa→5 MPa→3 MPa→1 MPa。

第4循環(huán)選用8個壓力值12個壓力階段，每級壓力及循環(huán)方式為1 MPa→3 MPa→5 MPa→7 MPa→8.4 MPa→7 MPa→6 MPa→5 MPa→4 MPa→3 MPa→2 MPa→1 Mpa。

每個循環(huán)升壓時，流量穩(wěn)定后每級壓力持續(xù)5 min，出現(xiàn)臨界壓力后的每級壓力流量穩(wěn)定后持續(xù)30 min；加至最高壓力時持續(xù)30 min；每個循環(huán)卸壓時每級壓力流量穩(wěn)定后持續(xù)5 min。

4.5.2破碎（斷層破碎帶）巖體

破碎（斷層破碎帶）巖體試驗(yàn)?zāi)康臑闇y定巖體在高壓水頭作用下的滲透穩(wěn)定和臨界壓力，采用4個循環(huán)。第七段為斷層破碎帶，采用4個循環(huán)的加壓方式。

4　高壓壓水試驗(yàn)成果分析

這次高壓壓水試驗(yàn)自孔底向上共選擇7段個試段。其中完整巖體6段，洞頂拱第五段采用4個循環(huán)加壓方式，其余五段均采用單循環(huán)。第七段為斷層破碎帶，采用4個循環(huán)的加壓方式。下面僅以第五段4個循環(huán)高壓壓水試驗(yàn)為例，進(jìn)行試驗(yàn)成果分析。

4.1第五段驗(yàn)成果分析

這試驗(yàn)段位于高壓岔管中心線以上2.80～7.75 m之間的頂拱部位，孔深為410.05～415.00 m，試段長度4.95 m。試段巖體巖芯呈長柱狀，巖芯RQD平均值為87%，巖體完整性系數(shù)Kv=0.75，較完整。見有J6節(jié)理，共3條，傾角65°，裂隙微張，充填巖屑，裂隙頻率0.61條/m。該段試驗(yàn)采用了4個循環(huán)。

第1，2，3，4循環(huán)高壓壓水P—Q曲線分別見圖1、圖2、圖3、圖4。

圖1　第一循環(huán)P—Q曲線

從第1循環(huán)P—Q曲線（圖1）可以看出，該段曲線為D（沖蝕）型曲線，曲線凸向P軸，試段巖體在7.75 MPa壓力前透水微弱，滲流量最大僅為0.35 L/min。當(dāng)壓力達(dá)到7.75 MPa時，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，表明7.75 MPa壓力為本段巖體產(chǎn)生劈裂的臨界壓力。當(dāng)升壓力升至8.23 MPa時，高壓滲透的結(jié)果使巖體裂隙產(chǎn)生沖蝕、擴(kuò)張，并產(chǎn)生劈裂，使得巖體滲流量迅速升至40.31 L/min。

圖2　第二循環(huán)P—Q曲線

從第2循環(huán)P—Q曲線（圖2）看出，該段曲線為D（沖蝕）型曲線。由于試段巖體在第1循環(huán)破裂后產(chǎn)生的變形未能完全恢復(fù)，在高壓水流作用下，巖體中原有裂隙繼續(xù)產(chǎn)生新的擴(kuò)張、并稍有延伸，故其第2循環(huán)升壓階段的流量均大于第一循環(huán)巖體劈裂前相同壓力階段的流量。

圖3　第3循環(huán)P—Q曲線

由第3循環(huán)、第4循環(huán)的P—Q曲線（圖3、圖4）能夠看出，曲線為D（沖蝕）型曲線和C（擴(kuò)張）型曲線，經(jīng)過第1，2兩個循環(huán)的高壓水流的沖蝕作用，巖體破裂后產(chǎn)生的變形雖未能完全恢復(fù)，但基本不再繼續(xù)擴(kuò)張、延伸，兩循環(huán)升壓曲線與第2循環(huán)升壓曲線較接近，相同壓力階段的流量多略大于或接近第2循環(huán)時相同壓力的流量，為1.48～2.21倍，7 MPa、8.4 MPa壓力時為 0.96倍～0.99倍。從第2循環(huán)、第3循環(huán)、第4循環(huán)的P—Q曲線還明顯顯示，5.68 MPa、5.58 MPa和5.55 MPa壓力時即達(dá)到臨界壓力，在8.4 MPa的壓力下，流量分別增大至41.90 L/min、40.62 L/min、40.40 L/min。由此表明，裂隙巖體存在著一定的時間效應(yīng)。也就是說，在高壓水流的持續(xù)作用下，裂隙巖體的變形在開始時會持續(xù)增大，隨著時間的推移變形逐漸達(dá)到穩(wěn)定，巖體產(chǎn)生劈裂的臨界壓力也會進(jìn)一步降低，從第1循環(huán)至第4循環(huán)巖體臨界壓力變化數(shù)值依次為7.75 MPa、5.68 MPa、5.58 MPa、5.55 MPa。巖體的穩(wěn)定臨界壓力為5.55～5.68 MPa。

由第1循環(huán)P—Q曲線圖可以看出，在降壓測試過程中，與升壓階段相同壓力下的流量相比較各相應(yīng)壓力下的流量變化，升壓階段7.75 MPa以前流量均甚小，同級壓力降壓流量一般為升壓流量的16～93倍。即降壓至7 MPa時，流量為29.62 L/min，為同級升壓流量的93倍；降壓至5 MPa時，流量為10.52 L/min，為同級升壓流量的45倍；降壓至3 MPa時，流量為3.63 L/min，為同級升壓流量的16倍。壓水試驗(yàn)結(jié)果顯示本循環(huán)降壓時各壓力階段的流量與升壓階段相同壓力下的微量滲漏有著質(zhì)的變化。

從第2循環(huán)、第3循環(huán)、第4循環(huán)P—Q曲線圖還可以看出，降壓階段各級壓力的流量與升壓階段同級壓力的流量相比，變化不大。除5 MPa壓力時降壓流量有所增加，為升壓流量的1.7～3倍外，其余各級降壓流量多略微減少。說明裂隙巖體在高壓水流的持續(xù)作用下，存在著一定的時間效應(yīng)，并隨著時間的推移變形逐漸達(dá)到穩(wěn)定。其中第2循環(huán)降壓至3 MPa以下壓力時，其滲流量小于升壓階段流量，經(jīng)分析，可能是在壓力急劇下降過程中，裂隙被瞬間充填所致。

4.2試驗(yàn)成果匯總

輸水隧洞2號高壓岔管ZK181鉆孔高壓壓水試驗(yàn)成果表明：

高壓岔管部位完整～較完整巖體劈裂后最大試驗(yàn)壓力下的透水率與巖體RQD、節(jié)理發(fā)育程度、巖體完整性系數(shù)基本存在如下關(guān)系：

1）巖體透水率q′與RQD關(guān)系。RQD值越大，q′值越小，但第三、六兩段除外。

2）巖體透水率q′與巖體完整性系數(shù)Kv的關(guān)系。Kv值越大，q′值越小，但第二段除外。

3）巖體透水率q′與節(jié)理傾角及結(jié)構(gòu)面性狀的關(guān)系。巖體透水率q′與節(jié)理傾角及張開寬度關(guān)系比較大。緩傾角節(jié)理多呈閉合狀態(tài)，透水率一般較小。如第一、二試段巖體透水率僅為0.0028 l/（min. m.m）和0.0035 l/（min.m.m）；陡傾角節(jié)理多微張，巖體透水率一般相對較大，如第四、五、六試段巖體透水率為 0.0064 l/（min.m.m）、0.0099 l/（min. m.m）、0.0142 l/（min.m.m）。

4）巖體透水率q′與深度的關(guān)系。試驗(yàn)深度范圍內(nèi)，巖體的透水率q′隨著深度的增加而減小。

5）最大主應(yīng)力方向和節(jié)理走向夾角與巖體透水率q′的關(guān)系。巖體的透水率q′隨著夾角的增大而減小。

5　結(jié)論及建議

1）據(jù)高壓岔管部位完整～較完整巖體單循環(huán)高壓壓水試驗(yàn)成果：巖體臨界壓力為7.26～7.82 MPa。經(jīng)多循環(huán)高壓壓水試驗(yàn)成果，臨界壓力明顯下降，其穩(wěn)定臨界壓力為5.55～5.68 MPa。最大試驗(yàn)壓力下巖體透水率變化不大，一般為0.002 8～0.009 9 l/（min.m.m），最大為 0.014 2 l/（min.m. m），為微～弱透水巖體，但巖體滲流量較大，一般流量達(dá)12.3～41.9 L/min，最大可達(dá)58.79 L/min。

2）斷層破碎帶巖體試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)臨界壓力。雖然最大試驗(yàn)壓力下巖體透水率僅約0.01 l/（min.m.m），但巖體在小壓力作用時其滲流量就較大，且隨著壓力的增大滲流量逐漸增大，最大試驗(yàn)壓力時的滲流量達(dá)41.29～45.39 L/min。

3）高壓岔管部位正常工況下工作水頭為512.96m。根據(jù)高壓壓水試驗(yàn)成果：完整～較完整巖體穩(wěn)定臨界壓力略大于高壓岔管正常工況下的工作水頭。但應(yīng)考慮機(jī)組維修、甩負(fù)荷、單機(jī)運(yùn)行等非正常工況條件下工作水頭的變化。斷層破碎帶巖體雖然沒有出現(xiàn)臨界壓力，但滲流量較大。鑒于高壓岔管部位圍巖在最大試驗(yàn)壓力時的滲透流量較大，建議對該部位采取工程處理措施。

［中圖分類號］TV672

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）02－0041－04

［收稿日期］#2015-03-20