李永沖，崔曉立

（1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610091；2.四川省康泰安全評(píng)價(jià)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都610091）

1 概述

某水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)，是雅魯藏布江干流中游規(guī)劃設(shè)計(jì)的梯級(jí)電站。水電站樞紐工程主要建筑物由混凝土溢流壩段、廠房擋水壩段、沖砂底孔壩段及河床式廠房等建筑物組成，水庫總庫容0.3×108m3，電站裝機(jī)容量360MW。壩體內(nèi)布置了基礎(chǔ)灌漿廊道、壩基排水廊道等結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼顧壩內(nèi)交通和原型觀測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在大壩廊道不同位置設(shè)置傾斜、鉛直、垂直等不同類型的排水孔，深入基巖5～17m不等。

壩址區(qū)位于雅魯藏布江縫合帶內(nèi)，距雅魯藏布江北界斷裂較近，經(jīng)過前期地表測(cè)繪、調(diào)查、鉆孔和平硐揭示，壩區(qū)內(nèi)未見較大規(guī)模的斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要構(gòu)造形跡為節(jié)理裂隙和少量小斷層。大壩地層主要為郎杰學(xué)群的姐德秀組第一段T3j1的硅質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖及炭質(zhì)板巖，第四系沉積物主要為沖積（Q3～4al）、洪積（Q3pl）、崩坡積（Q4col+dl）等。

大壩灌漿廊道和排水廊道等基礎(chǔ)廊道通過灌漿孔及排水孔與其下部的基巖地層聯(lián)系，電站廊道在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期，受揭露地層影響，來自于河床基巖的有毒有害氣體（主要為瓦斯）將涌向壩體廊道，嚴(yán)重威脅著水電站施工及運(yùn)營(yíng)的安全，因此需進(jìn)行專門的研究。

2 瓦斯參數(shù)獲取及排水孔調(diào)查統(tǒng)計(jì)

為準(zhǔn)確獲取水電站地層炭質(zhì)板巖瓦斯參數(shù)，對(duì)排水孔排出氣體進(jìn)行采樣檢測(cè)，采集廊道底部基巖巖芯，測(cè)定其瓦斯含量并對(duì)其進(jìn)行碳含量測(cè)測(cè)定。同時(shí)，通過統(tǒng)計(jì)調(diào)查方法，對(duì)排水孔瓦斯排放情況進(jìn)行了仔細(xì)的調(diào)查。

2.1 瓦斯參數(shù)測(cè)定

2.1.1 廊道鉆孔氣體檢測(cè)

施工單位在廠房壩段、溢流壩段灌漿廊道進(jìn)行帷幕灌漿施工過程中，孔內(nèi)有不明氣體涌出。研究人員前后分兩次，共采集氣體樣品6份送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，甲烷體積含量為6.34%～16.46%，硫化氫為0～0.11ppm。鉆孔內(nèi)涌出有毒有害氣體主要為甲烷。

2.1.2 瓦斯含量測(cè)定

依據(jù)《頁巖含氣量測(cè)定方法》（SY/T 6940-2013），頁巖含氣量指單位質(zhì)量頁巖中所含天然氣折算到0℃，101.325kPa 時(shí)的體積，按測(cè)量過程分為解吸氣、殘余氣、損失氣，頁巖含氣量為三者之和。水電站壩址區(qū)地層主要為炭質(zhì)板巖，未發(fā)現(xiàn)煤層，瓦斯含量測(cè)定方法參照《頁巖含氣量測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定。研究人員根據(jù)前期調(diào)查及鉆孔涌出氣體情況，選取氣體涌出豐富鉆孔巖樣4 份，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，平均瓦斯含量為0.036m3/t，最大瓦斯含量為0.06m3/t。

2.1.3 工業(yè)分析

本次采集炭質(zhì)板巖采用煤質(zhì)工業(yè)分析方法進(jìn)行測(cè)試分析，以測(cè)定其水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳含量。研究人員選擇氣體涌出量大、顏色深的巖樣1份進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，其中水分Mad=0.21%，灰分Ad=94.69%，揮發(fā)分Vd=3.65%，固定碳FCd=1.45%。

2.2 廊道排水孔瓦斯排放調(diào)查

為了掌握大壩廊道各灌漿孔、排水孔瓦斯氣體涌出狀況，研究人員對(duì)廊道灌漿孔、排水孔瓦斯氣體涌出情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析，大壩瓦斯涌出情況整體呈現(xiàn)如下的規(guī)律。

（1）不同壩段氣體涌出存在差異性。灌漿廊道標(biāo)高最低部位氣體涌出量大，向標(biāo)高增大方向（左、右）氣體涌出逐漸減弱。

（2）隨排水孔深度加大，氣體涌出量增加。隨排水孔深度加大，氣體涌出量有增大趨勢(shì)。

（3）水位高氣體涌出量大。排水孔水位（相對(duì)各孔的孔口）高，氣體涌出量相對(duì)較大，排水孔水位（相對(duì)各孔的孔口）低，氣體涌出量相對(duì)較少。

研究人員對(duì)水電站排水孔氣體涌出情況進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)排水孔涌出氣體解析量及涌出氣體的瓦斯?jié)舛?，將排水孔定性劃分為三類。第一類排水孔氣體股狀涌出，間隔時(shí)間30～40s，排氣量為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值；第二類排水孔氣體微弱小氣泡涌出或零星氣泡涌出，排氣量取第一類的70%；第三類排水孔沒有明顯氣體涌出，排氣量取第一類的40%。根據(jù)設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，第一類排水孔1443m，第二類排水孔1732m，第三類排水孔201m，合計(jì)3376m。

3 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

3.1 基于分源法瓦斯涌出預(yù)測(cè)

煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯涌出來源包括兩部份，一是暴露煤壁涌出瓦斯，二是破落煤塊涌出瓦斯。大壩廊道灌漿孔、排水孔施工過程中瓦斯涌出類似煤礦掘進(jìn)工作面，瓦斯涌出量包括排水孔揭露巖壁涌出瓦斯及排水孔鉆出巖芯涌出瓦斯，運(yùn)營(yíng)過程中廊道排水孔涌出瓦斯只有排水孔揭露巖壁涌出瓦斯[1]。

式中：Q排——排水孔絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；

D——排水孔斷面內(nèi)暴露巖壁面周邊長(zhǎng)度，m；

V——排水孔平均掘進(jìn)速度（或使用排水孔深度），m/min；

L——排水孔深度，m；

q0——排水孔巖壁瓦斯涌出初速度，m3/（m2·min）；q0=0.026[0.0004×(Vr)2+0.16]×W0

式中：Vr——排水孔揭露巖層（炭質(zhì)板巖）揮發(fā)份，%；

W0——排水孔揭露巖層（炭質(zhì)板巖）瓦斯含量，m3/t。

根據(jù)選取的4 個(gè)廊道排水孔巖樣瓦斯含量解析數(shù)據(jù)，運(yùn)營(yíng)期間廊道瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示，廊道平均絕對(duì)瓦斯含量為0.16m3/min，最大絕對(duì)瓦斯含量為0.27m3/min。參照《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》（DB51/T2243-2016）、《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB10120-2019），水電站廊道瓦斯等級(jí)為微瓦斯。

表1 運(yùn)營(yíng)期間廊道瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表

3.2 基于統(tǒng)計(jì)法瓦斯涌出預(yù)測(cè)

3.2.1 預(yù)測(cè)方法

根據(jù)前期對(duì)瓦斯來源的調(diào)查與分析，大壩廊道瓦斯主要由壩體炭質(zhì)板巖通過排水孔涌入。通過測(cè)定廊道所有排水孔瓦斯涌出量，即可計(jì)算廊道內(nèi)總的瓦斯涌出量?；诖耍捎门潘ㄔ?，研究人員自行設(shè)計(jì)、加工了水氣分離裝置，并利用實(shí)驗(yàn)室自行加工的氣體測(cè)量裝置，對(duì)排水孔瓦斯涌出量進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)定。

為準(zhǔn)確測(cè)定排水孔瓦斯涌出量及瓦斯涌出趨勢(shì)變化，選擇氣體涌出量大、鉆孔深、分布范圍具有代表性的鉆孔進(jìn)行測(cè)定。研究人員于2019.11.19～22 對(duì)水電站廊道10-3、6-7、11-1、9-6、左排水廊道15#排水孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)瓦斯涌出量測(cè)定，并以此作為計(jì)算廊道瓦斯涌出量的基礎(chǔ)。

3.2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)選取的5個(gè)廊道排水孔平均瓦斯涌出量、平均瓦斯?jié)舛取⑴潘兹霂r深度等計(jì)算，廊道正常/最大瓦斯涌出量如表2 所示。廊道平均絕對(duì)瓦斯含量為3.64×10-4m3/min，最大絕對(duì)瓦斯含量為1.37×10-3m3/min。參照《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》（DB51/T2243-2016）、《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB10120-2019），水電站廊道瓦斯等級(jí)為微瓦斯。

表2 廊道正常/最大瓦斯涌出量估算

4 瓦斯來源分析及防治措施

4.1 瓦斯來源分析

水電站壩基圍巖地層主要為炭質(zhì)板巖，炭質(zhì)板巖的原巖為炭質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖沉積時(shí)通常含較豐富的植物遺體，在成巖過程中發(fā)生生物化學(xué)變化，生成CH4、CO2等氣體，在后期的變質(zhì)過程中，發(fā)生物理化學(xué)變化，生成以CH4為主的氣態(tài)烴，由于埋藏深度大，氣體不宜散失，儲(chǔ)存于炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖等孔隙、裂隙中。水電站壩基圍巖地層中的炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖中的炭質(zhì)充填物、變質(zhì)砂巖中的炭質(zhì)膠結(jié)物都具有生烴的能力，是大壩廊道瓦斯的主要來源。

4.2 瓦斯防治措施建議

施工期間瓦斯防治措施：①通風(fēng)措施。電站地下廊道多，布置錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)外的洞口較少，施工期間通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜。施工過程中，應(yīng)確保建立穩(wěn)定可靠的通風(fēng)系統(tǒng)，并由專人進(jìn)行管理[2]。②人工瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控。建立專職人工瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控隊(duì)伍，對(duì)廊道內(nèi)不同位置進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)，特別加強(qiáng)對(duì)動(dòng)火作業(yè)及盲巷內(nèi)作業(yè)的瓦斯監(jiān)測(cè)。

運(yùn)營(yíng)期間瓦斯防治措施：①安全監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)置安全監(jiān)控系統(tǒng)，廊道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)與甲烷、硫化氫傳感器進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)行，當(dāng)甲烷、硫化氫傳感器監(jiān)測(cè)到相應(yīng)氣體濃度超過其閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)。②通風(fēng)設(shè)計(jì)。廊道通風(fēng)采用機(jī)械式通風(fēng)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)與通風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖，在瓦斯?jié)舛任闯瑯?biāo)情況下，設(shè)置合理的通風(fēng)時(shí)間與間隔進(jìn)行定期通風(fēng)，當(dāng)任意一個(gè)瓦斯監(jiān)控傳感器達(dá)到0.3%，啟動(dòng)所有風(fēng)機(jī)排放瓦斯。③其他安全措施。運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)廊道內(nèi)安全監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查，作業(yè)人員進(jìn)入廊道前先通風(fēng)，同時(shí)攜帶檢測(cè)報(bào)警儀，一旦發(fā)現(xiàn)報(bào)警停止前行并立即退出[3-4]。

5 結(jié)論與建議

①通過采用不同方法對(duì)電站廊道瓦斯進(jìn)行預(yù)測(cè)，瓦斯涌出量最大為0.27m3/min，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，大壩廊道瓦斯等級(jí)為微瓦斯區(qū)；②瓦斯涌出量雖然不大，但廊道中仍可能出現(xiàn)風(fēng)流瓦斯超限或局部瓦斯積聚，將對(duì)安全施工和營(yíng)運(yùn)構(gòu)成威脅，建議廊道在施工和運(yùn)營(yíng)過程中，須嚴(yán)格按照瓦斯防治措施進(jìn)行管理。③通過對(duì)大壩廊道進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及瓦斯來源分析，提出相應(yīng)的瓦斯防治措施，有效降低廊道在施工及運(yùn)營(yíng)期間瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)。雖瓦斯災(zāi)害在煤礦行業(yè)研究較為深入，但在國(guó)內(nèi)外水電行業(yè)，瓦斯研究涉及較少，本文研究?jī)?nèi)容可以為水電站廊道瓦斯防治提供參考借鑒。