高壓壓水試驗(yàn)在抽水蓄能電站勘察中的應(yīng)用

李鈺強(qiáng)

(1.國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心 高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心,陜西 西安　710065; 2.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安　710065)

1　工程概況

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站位于陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣月河鄉(xiāng)東陽(yáng)村鏡內(nèi)的月河干流上。電站裝機(jī)1 400 MW,最大發(fā)電額定靜水頭478.5 m。為得到高壓岔管部位在高壓水頭作用下,巖體透水率及巖體裂隙的劈裂水頭壓力值,在引水隧洞岔管及廠房端墻部位選取有代表性試驗(yàn)段,進(jìn)行管道內(nèi)水壓力1.5 倍的專門性壓水試驗(yàn)。測(cè)試巖體的滲透性及劈裂壓力值,并與常規(guī)壓水試驗(yàn)對(duì)比,以確定該部位巖體在高壓作用下的滲透特性的變化規(guī)律。

試驗(yàn)布置在高壓岔管及廠房部位的鉆孔中,巖體均為中生代印支花崗閃長(zhǎng)巖,呈灰白色—淺灰色,中細(xì)粒結(jié)構(gòu)或過(guò)渡為花崗變晶結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)段節(jié)理發(fā)育一般,未見有斷層通過(guò)。

2　高壓壓水目的

在一般情況下,巖石的透水率隨壓力的增大而增大,一些在低壓下不滲透或透水率很低的巖石,在高壓下透水或透水量明顯增大。而傳統(tǒng)的壓水試驗(yàn)壓力值偏低(0.3,0.6,1.0 MPa),試驗(yàn)結(jié)果難以確切地反映巖體在真實(shí)水頭壓力下的滲透特性。

巖體在高壓水流作用下,巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、斷層破碎帶等)有可能張開或擴(kuò)展,導(dǎo)致巖體原始透水狀況發(fā)生改變。對(duì)于高水頭電站和抽水蓄能電站,承壓洞室和高壓管道而言更是如此。因而進(jìn)行鉆孔高壓壓水測(cè)試,以期了解巖體在高壓水流作用下的滲透性能及其在高壓滲透狀態(tài)下巖體張開、拉裂的臨界壓力和巖體的變形方式等都是很有意義的[1-2]。

3　高壓壓水試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)要求

3.1　高壓壓水試驗(yàn)設(shè)備

本工程高壓壓水測(cè)試系統(tǒng)采用雙回路連接方法。所謂雙回路，即由兩個(gè)獨(dú)立的供水回路構(gòu)成。其中一個(gè)回路是用一根高壓膠管連接地面水泵和井下栓塞,由地面水泵施壓使栓塞膨脹止水;另一回路是通過(guò)鉆桿向試驗(yàn)段內(nèi)直接注水加壓,進(jìn)行壓水試驗(yàn)。雙回路壓水系統(tǒng)的特點(diǎn)是在地面可始終監(jiān)視栓塞膨脹效果,必要時(shí)可隨時(shí)給栓塞補(bǔ)壓。地面設(shè)備主要有高壓水泵、流量傳感器、壓力變送器、閥門、高壓膠管、灌漿自動(dòng)記錄儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等[3]。

3.2　高壓壓水試驗(yàn)技術(shù)要求

本次高壓壓水試驗(yàn)采用兩個(gè)循環(huán),第一循環(huán)試驗(yàn)中采用8個(gè)壓力值15個(gè)壓力階段,即P1=P15=1 MPa、P2=P14=2 MPa、P3=P13=3 MPa、P4=P12=4 MPa、P5=P11=5 MPa、P6=P10=6 MPa、P7=P9=7 MPa、P8=8 MPa,壓力階段為:P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15。

第二循環(huán)試驗(yàn)中采用5個(gè)壓力值9個(gè)壓力階段,即1 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa,即P1=P9=1 MPa、P2=P8=2 MPa、P3=P7=4 MPa、P4=P6=6 MPa、P5=8 MPa。壓力階段為P1P2P3P4P5P6P7P8P9。在透水量較大時(shí),壓力點(diǎn)的壓力值有所下調(diào)[4]。

試驗(yàn)中壓力和流量觀測(cè)方法完全按《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行。穩(wěn)定流量標(biāo)準(zhǔn)為:每2 min讀一次數(shù),連續(xù)五次,其最大值與最小值之差小于終值的10%,即:Qmax-Qmin

4　高壓壓水試驗(yàn)曲線類型

本次試驗(yàn)共在4個(gè)孔中進(jìn)行了68段壓水試驗(yàn),根據(jù)68段試驗(yàn)段統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)高壓壓水P-Q曲線并不符合常規(guī)壓水試驗(yàn)的5種曲線類型,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析本試驗(yàn)曲線可分為以下3類:

4.1　開裂型

該類試驗(yàn)段巖體往往裂隙較發(fā)育,且抵抗水力劈裂的臨界壓力值較小,加壓值通常達(dá)不到設(shè)計(jì)的最高壓力值;在壓力達(dá)到臨界壓力時(shí),滲流量就急劇增大,而臨界水壓力與裂隙面上的法向地應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度以及裂隙間的充填物等有關(guān),從P-Q圖上可以反映出開裂后壓力基本不會(huì)增加,有時(shí)還會(huì)下降,流量卻急劇增加。說(shuō)明此時(shí)該裂隙已經(jīng)開裂(圖1)。

4.2　擴(kuò)張型

該類型試驗(yàn)段巖體所含裂隙較少,抵抗水力劈裂的臨界壓力值較大,不存在明顯的臨界壓力,而且流量隨水壓力的增加而增加,隨水壓力的減小而減小。從P-Q圖上可以反映出流量隨壓力增大而增加,壓力下降流量隨之下降,說(shuō)明充填的裂隙水在地應(yīng)力作用下,流出裂隙,同時(shí)裂隙未被劈裂(圖2)。

4.3　不透水型

該類型試驗(yàn)段巖體十分完整,透水率極小,在最小壓力和最大壓力情況下流量基本沒有變化,不存在臨界壓力,透水率隨著壓力增大而減小。從P-Q曲線圖反映出,流量不隨壓力的變化而變化,說(shuō)明巖體完整,無(wú)裂隙發(fā)育,完整巖體的劈裂值比8 MPa大,如圖3不透水型曲線圖。

圖1　開裂型曲線圖

圖2　擴(kuò)張型曲線圖

圖3　不透水型曲線圖

以上3種試驗(yàn)曲線,是在同種地層巖性中試驗(yàn)取得的,只是因?yàn)閹r體的裂隙發(fā)育情況不同,所得的曲線類型不同。

5　試驗(yàn)成果分析

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了4個(gè)鉆孔68段試驗(yàn),我們選擇了其中1孔17段試驗(yàn)進(jìn)行分析(表1)。

高壓壓水試驗(yàn)中,最大呂榮值為15.50 Lu,滲透系數(shù)為1 591.3×10-4m/d,以3(不透水)型和1(開張)型為主,分別為35.3%和52.9%。

在第4、6、8、9、15試驗(yàn)段和第17試驗(yàn)段高壓壓水試驗(yàn)為開裂型,曲線拐點(diǎn)明顯,有臨界壓力值。巖石完整性較好,RQD在80%以上。其中第15段試驗(yàn)段巖體完整性好,RQD達(dá)95%,但在5.01 MPa時(shí),流量由2.9 L/min突升至48.62 L/min,壓力陡降至2.93 MPa,滲透率由0.06 Lu升至4.49 Lu。根據(jù)鉆孔編錄資料,該試驗(yàn)段裂隙主要為緩傾角裂隙,裂隙多閉合,裂隙充填物較少,說(shuō)明該段巖體沿裂隙面被劈裂。

第1、3、5、7、13試驗(yàn)段和第14試驗(yàn)段并未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),臨界壓力值不明顯,巖體完整性較好,巖體的RQD值均>80,最高為100。巖體的透水率隨壓水壓力的增加而增加,一般在1 Lu以下,最大值為0.07 Lu,相比常規(guī)壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)增大較多。巖石的透水率最大值一般在1 MPa,巖石透水率隨壓力增大而減小,破碎巖體,裂隙較為發(fā)育段,巖石的透水率均出現(xiàn)在最大壓力值下。

表1　高壓壓水試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

第16試驗(yàn)段巖體透水率為16.29 Lu,最大壓力值為2.12 MPa,但是巖體RQD值為91,說(shuō)明巖石較為完整,從鉆孔編錄反應(yīng),此段發(fā)育兩組裂隙,傾角分別為3°～5°和68°(圖4)。在鉆孔試驗(yàn)過(guò)程中,壓力增加,孔口涌水量增加,說(shuō)明裂隙上下貫通,導(dǎo)致滲透率和滲透系數(shù)增大。

圖4　第16段巖心裂隙發(fā)育情況

從成果表中可以看出,透水率隨壓力增大而增大,一般<0.1 Lu,個(gè)別值達(dá)15.5 Lu(裂隙發(fā)育段)。這是因?yàn)殡S著壓水壓力的增加,巖體中地應(yīng)力的抵抗力減弱,裂隙的張開度逐漸增大,所以在裂隙發(fā)育段,高壓壓水的透水率隨壓力增大而增大。根據(jù)壓力與流量關(guān)系曲線類型計(jì)算巖體透水率取值范圍為0.03～0.68 Lu,裂隙發(fā)育段巖體透水率取值范圍在1.22～15.5 Lu。

完整巖體從測(cè)試結(jié)果可以看出在高壓作用下巖體始終處于彈性變形狀態(tài),升壓曲線為直線,降壓曲線與升壓曲線基本重合,這是因?yàn)樵谡麄€(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,巖體裂隙狀態(tài)基本沒有發(fā)生變化,壓力增加,流量基本不增加。

裂隙發(fā)育巖體從測(cè)試結(jié)果可以看出,曲線凸向P軸,在第一循環(huán)時(shí),試段巖體在臨界壓力前基本不透水;當(dāng)曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),即巖體產(chǎn)生劈裂的臨界壓力。當(dāng)壓力超過(guò)臨界壓力時(shí),高壓滲透的結(jié)果使巖體裂隙產(chǎn)生沖蝕、擴(kuò)張,進(jìn)而產(chǎn)生劈裂,使得巖體滲流量迅速增大。同時(shí),從第2循環(huán)的P-Q曲線清晰顯示,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、

延伸,由于試段巖體在第一循環(huán)破裂后產(chǎn)生的變形未能完全恢復(fù),故其升壓階段的流量均大于第一循環(huán)時(shí)相同壓力的流量,且臨界壓力小于第一循環(huán)時(shí)的臨界壓力,并且在最高壓力下,流量大于第一循環(huán)時(shí),由此表明,裂隙巖體存在著一定的時(shí)間效應(yīng)。即在高壓水流的持續(xù)作用下,裂隙巖體的變形會(huì)持續(xù)增大,從而致使巖體產(chǎn)生劈裂的臨界壓力進(jìn)一步降低。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高壓壓水試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:

(1)高壓壓水反映了巖體的滲透特性,透水性變化的背景是地質(zhì)條件的變化。

(2)由于巖體原始透水率很小,劈裂后的透水率大體為1 Lu左右,局部裂隙發(fā)育段或裂隙貫通段透水率>10 Lu。

(3)本次試驗(yàn)表明,完整巖體在高壓水流作用下,不產(chǎn)生劈裂,滲透性無(wú)明顯改變;節(jié)理(特別是陡傾角節(jié)理)較發(fā)育的巖體產(chǎn)生劈裂,出現(xiàn)透水率增大現(xiàn)象。卸壓后裂隙不能完全恢復(fù)原狀。二次加壓循環(huán)臨界壓力下降,透水率略有增大。

(4)水力劈裂試驗(yàn)成果,為設(shè)計(jì)對(duì)岔管和地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性、滲透性,制定廠房開挖支護(hù)措施和防滲措施,提供可靠依據(jù),時(shí)為岔管襯砌方式選擇提供科學(xué)依據(jù)。

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