鉆孔高壓壓水試驗在抽水蓄能電站的應用及探討

周彩貴,毛會斌,林　峰

(1.西北水利水電工程有限責任公司,西安　710065；2.廣西電力設計研究院有限公司,南寧　530023)

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鉆孔高壓壓水試驗在抽水蓄能電站的應用及探討

周彩貴1,毛會斌1,林峰2

(1.西北水利水電工程有限責任公司,西安710065；2.廣西電力設計研究院有限公司,南寧530023)

抽水蓄能電站壓力管道、高水頭承壓洞室等工程由于其水頭較高，巖體所承受的壓力比較集中，常規(guī)壓水試驗不能準確反映水頭壓力作用下巖體的滲透等特性，需要進行高壓壓水試驗。筆者在概述了鉆孔高壓壓水試驗中設備和技術要求的基礎上，結合陜西鎮(zhèn)安和新疆阜康抽水蓄能電站工程實踐,探討了鉆孔高壓壓水試驗中膨脹介質(zhì)、止水栓塞等有關問題，并提出了建議。

鉆孔;壓水試驗;止水栓塞;抽水蓄能電站

0　前　言

巖體在高壓水流作用下，巖體中的軟弱結構面(節(jié)、理、斷層破碎帶等)有可能張開或擴展，導致巖體原始透水狀況發(fā)生改變。抽水蓄能水電站壓力管道、高水頭承壓洞室等工程往往因埋深大、水頭高，承受的壓力比較大，若要了解巖體在不同的高壓水流下的透水性變化情況、巖體在高水頭壓力作用下的變形方式，以及巖體裂隙對高壓水流長時間沖蝕作用的抵御能力，常規(guī)的壓水試驗已無法滿足設計需要。DL/T5208-2005《抽水蓄能電站設計導則》也明確要求，在高壓管段及岔管部位的鉆孔中，選有代表性試驗段，進行管道內(nèi)水壓力1.2倍的專項壓水試驗，即高壓壓水試驗。

與常規(guī)壓水試驗相比，高壓壓水試驗主要特點有：

(1) 壓力峰值大。以抽水蓄能電站為例，地下廠房叉管部位要承受高水頭壓力，設計壓力可取平均水頭壓力的1.5倍。

(2) 壓水持續(xù)時間長。因高壓壓力并不是恒定壓力，因此在高壓壓水試驗中，針對不同的巖體往往采用2個甚至4個循環(huán)階段，每段壓水試驗時間大多在12 h以上，如采用4個循環(huán)階段，持續(xù)時間達到24 h。

(3) 試驗難度大。對壓水設備性能及止水栓塞要求高。

從20世紀80年代后期開始，相關單位結合工程實踐開展了對鉆孔高壓壓水試驗的研究[1-15]。近年來，在陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站和新疆阜康抽水蓄能電站，其地下廠房叉管部位進行了高壓壓水試驗，完成高壓壓水試驗共96段，最大壓力達到9 MPa[1]。結合這些工程實踐和有關研究，對高壓壓水試驗中若干問題進行探討。

2　高壓壓水試驗設備與主要技術要求

2.1高壓壓水設備性能要求

高壓壓水試驗設備主要包括：高壓水泵、壓力流量自動記錄系統(tǒng)、壓水栓塞3部分。

試驗用高壓水泵的額定壓力、流量應能夠滿足試驗壓力、流量的要求。由于高壓壓水試驗在高壓狀態(tài)下歷時較長，為確保安全，水泵標稱最大壓力應大于設計最大試驗壓力的50%以上。選用出水流量穩(wěn)定的三缸往復式水泵即可滿足要求。

試驗用量測設備應采用壓力范圍大于最大試驗壓力的多點法高壓壓水試驗自動記錄儀，其主要特點是以筆記本電腦為主機，性能穩(wěn)定、抗干擾能力強，同屏實時顯示試驗壓力、流量、呂榮值及其工時曲線。

止水栓塞應止水可靠、操作簡便，栓塞長度不小于8倍鉆孔孔徑。

2.2高壓壓水試驗主要技術要求

壓水試驗可隨鉆孔的加深自上而下地用單栓塞分段隔離進行，由于高壓壓水試驗歷時較長，為提高鉆探工效，加之繩索取芯工藝的推廣應用，宜在鉆孔終孔后，自下而上地用雙栓塞分段隔離進行[2]。

自上而下單栓塞分段高壓壓水試驗試段長度宜為5 m，自下而上雙栓塞分段高壓壓水試驗長度宜為3～4 m，相鄰試段應互相銜接，但不應漏段。

高壓壓水試驗的最大壓力一般根據(jù)試驗部位承受的水頭確定，可取平均水頭的1.5倍，根據(jù)目前抽水蓄能電站設計情況，一般為6～9 MPa。高壓壓水試驗鉆孔的孔徑宜為75～150 mm，宜采用金剛石清水鉆進或硬質(zhì)合金清水鉆進，并按DL/T5013-2005《水電水利工程鉆探規(guī)程》標準執(zhí)行，禁止使用泥漿等護壁材料鉆進。

高壓壓水試驗壓力分段及加壓方式根據(jù)試驗目的確定。洗孔、水位觀測、試驗壓力與流量觀測、試驗資料整理等要求參照常規(guī)壓水試驗技術標準執(zhí)行。

3　高壓壓水試驗若干問題的探討

3.1高壓壓水測試系統(tǒng)

常規(guī)的壓水測試系統(tǒng)基本均為單栓塞結構，普遍采用的是一套壓差式橡膠球(筒)進行測段的密封隔離。因此，只能以孔底做自然封隔端，在勘探過程中每鉆進5.0 m進行1次壓水測試。實際上，在深鉆孔中，由于在孔徑及孔斜并不規(guī)則，難以保證壓水段的可靠封隔，使得壓水測試成果的誤差較大。

鑒于高壓壓水測試的實際需要，以及常規(guī)壓水測試系統(tǒng)存在的問題，與生產(chǎn)廠家合作研制了水壓式雙栓塞高壓壓水測試系統(tǒng)，孔內(nèi)封隔系統(tǒng)采用了水壓式雙栓塞止水技術，為跨接連接結構。每只栓塞的有效密封長度為1.2 m，設計承壓為30 MPa。現(xiàn)場測試時，一般只需加壓3～5 MPa即可使2只栓塞同時充分膨脹、緊貼孔壁，從而將壓水試段與上下巖體隔離開來。該系統(tǒng)的設計壓水段長一般為5.0 m，可視測點的具體情況調(diào)節(jié)。試段的注水加壓采用新型的高壓水泵，最大壓力為25 MPa，流量一般為0～30 L/min，最大可達55 L/min。為確保流量計量的準確可靠，宜采用新型智能高壓流量計，將其直接安裝在注水管路上，連續(xù)地測量累計流量，并可通過流量(壓力)控制閥，調(diào)節(jié)各壓力階段不同流量情況下的測量[1]。

3.2高壓壓水栓塞

(1) 對栓塞加壓膨脹介質(zhì)與壓力的討論

對于常規(guī)壓水試驗，DL/T5531-2005《水電水利工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》[16]規(guī)定：“采用氣壓式或水壓式栓塞時，充氣(水)壓力應大于最大試驗壓力0.2～0.3 MPa，在試驗過程中充氣(水)壓力應保持不變”，這個要求在進行常規(guī)壓水試驗時，現(xiàn)有的技術條件下是可以達到的。對于高壓壓水試驗，文獻[16]只是提及對高壓壓水試驗的止水栓塞根據(jù)具體條件可選擇止水可靠性較好的水壓式、油壓式等類型的栓塞，但目前還沒有統(tǒng)一的國家或行業(yè)技術標準，在編制高壓壓水試驗技術要求時，往往參照常規(guī)壓水試驗的技術標準執(zhí)行，通常也要求“氣壓式或水壓式栓塞充氣(水)壓力應大于最大試驗壓力0.2～0.3 MPa，在試驗過程中充氣(水)壓力應保持不變”，這一點在實際操作中就存在很大的困難。

對氣壓栓塞而言，現(xiàn)階段一般工程用高風壓空壓機也只有2 MPa，還需要專門的大型動力支持，對于水電工程在勘探階段而言，經(jīng)濟上限制很大。其次，若氣壓要達到8 MPa甚至更高，無論安全性、經(jīng)濟性、現(xiàn)場可操作性等在現(xiàn)階段都難以滿足要求。因此，要實現(xiàn)栓塞充氣壓力大于最大試驗壓力0.2～0.3 MPa的要求在實踐中幾乎不可能。

如果栓塞氣壓不超過最大試驗壓力，則由于空氣的可壓縮性很強，在栓塞內(nèi)壓小于外壓(即試段內(nèi)的試驗壓力)情況下，栓塞會受內(nèi)部空氣在內(nèi)外壓力差作用下壓縮而縮徑，從而導致繞塞滲漏，嚴重影響試驗成果。因此，在目前的技術和施工條件下，高壓壓水試驗是無法使用氣壓栓塞的。

對水壓式栓塞而言，雖具備可操作性，可實現(xiàn)水壓栓塞內(nèi)壓參照常規(guī)壓水試驗的要求，即內(nèi)壓“大于最大試驗壓力0.2～0.3 MPa”，但安全性較差，經(jīng)濟上也受限制。

水的體積壓縮系數(shù)為4.5×10-4MPa-1，故在進行壓水試驗時可以不考慮水的壓縮。栓塞水壓不超過最大試驗壓力，是否可行呢？一般來說，栓塞是通過膠囊內(nèi)壓力P1作用而膨脹，靠栓塞與孔壁摩擦產(chǎn)生摩擦力F1抑制工作段水壓對栓塞的推力F2，從而達到止水作用。即：

(1)

(2)

則安全系數(shù)N可定義為：

(3)

式中：μ為栓塞與巖石摩擦系數(shù);P1為栓塞水壓,kPa;D為孔壁直徑,m;L為栓塞長度,m;P2為工作段壓力,kPa。

如孔徑為91 mm，栓塞長度為1.5 m，壓水時最大值為9 MPa，栓塞水壓3 MPa，栓塞與巖石摩擦系數(shù)取橡膠與鋼鐵的摩擦系數(shù)0.5[2]，則安全系數(shù)N可達到10.9。因此，實際工作中，栓塞水壓達3 MPa可滿足止水需要。

(2) 栓塞的改進

止水栓塞是壓水試驗的關鍵設備，目前中國常用的止水栓塞有雙管循環(huán)式、單管頂壓式、水壓式和氣壓式4種類型。① 雙管循環(huán)式的優(yōu)點是不存在管路損失，缺點是需要下入2套管路，對小口徑鉆孔不適用；② 單管頂壓式的優(yōu)點是操作簡單，缺點是栓塞長度較短，當孔壁不完整時，止水效果較差，不適用于高壓壓水試驗。③ 水壓式和氣壓式栓塞的共同特點是膠囊易與孔壁緊貼，即使在孔壁不太平直的情況下，也能實現(xiàn)面接觸，且栓塞較長，止水可靠性好，對不同孔徑、孔深的鉆孔均能適應，操作簡便。水壓式栓塞的缺點是試驗結束后膠囊內(nèi)的水不易排放干凈，氣壓式栓塞的缺點是鉆場上需要一套高壓充氣裝置，而且在3.2節(jié)(1)中已論述其在高壓壓水試驗中的不適應性。

為此，結合工程實踐，與生產(chǎn)廠家合作研制了水壓式雙栓塞高壓壓水測試系統(tǒng)。該栓塞單個栓塞有效長度1.2 m，上下封隔器由鉆桿連接，可承受30 MPa壓力。同時，在栓塞頂端和底端各設置了1個限位措施，盡可能防止栓塞的軸向變形。此外，栓塞制作材料進行了改進，一套栓塞能夠適應75～91 mm兩個孔徑下的試驗工作，意味著鉆孔直徑如果是71和91 mm兩級結構只需要1套栓塞，鉆孔直徑是75、91和110 mm三級結構需要2套栓塞。通過改進，在陜西鎮(zhèn)安和新疆阜康抽水蓄能高壓壓水試驗中均取得成功，簡化了安裝程序，提高了效率。

(3) 改進栓塞的特點

1) 結構簡單，操作方便。工作可靠，具有氣壓栓塞的一切優(yōu)點。

2) 省時省力。壓水試驗時只要求鉆具提離孔底1個試漏段長度就可以了，不再需要每次壓水就全部提出鉆具，這樣既節(jié)省了時間，又降低了工人的勞動強度。

3) 體積小、重量輕。試驗孔徑56 mm栓塞的直徑只有42 mm，本體重量不到4 kg。

(4) 對繞塞滲漏的討論

需要指出，無論采取何種措施，在進行高壓壓水試驗時，繞塞滲漏是不可避免的。在何種程度時可以接受，目前尚無適宜的標準，而且在現(xiàn)有技術條件下，對于繞塞滲漏的準確量測無法實現(xiàn)。

在陜西鎮(zhèn)安和新疆阜康抽水蓄能電站等項目實施過程中，現(xiàn)場試驗采用了可以加壓到3～4 MPa的手搖水泵，雖然完成了高壓壓水試驗，但繞塞滲漏對試驗成果的準確性影響到底有多大無法準確判定。限于技術水平、現(xiàn)場條件及時間等因素，也沒有專門進行繞塞滲漏的現(xiàn)場測試，只是將栓塞內(nèi)水壓盡量加大，以盡可能減小試段繞塞滲漏量。相信隨著技術進步和諸多有識之士的不斷深入研究，試驗成果將越來越更準確地反映測試地層的水力力學特性。

3.3高壓管路

使用雙栓塞止水壓水技術，最大的優(yōu)點是可以在終孔后不依賴鉆機進行試驗，避免了試驗與造孔相互影響，且只需下1次井下試驗設備，就可連續(xù)地進行試驗直至結束，可提高工作效率、減輕勞動強度。目前高壓壓水試驗孔內(nèi)管路基本都是采用鉆桿，在孔深100 m以內(nèi)的淺孔可以正常進行，但是如果在孔深超過150 m以上的中深孔、深孔中采用鉆桿作為高壓管路，鉆桿的自身重量造成栓塞無法正常起、下，無法脫離鉆機，將影響鉆進效率，因此如脫離鉆機，高壓管路就不能用鉆桿。針對此情況，我們在施工中采用直徑為30 mm的無縫鋼管，絲扣連接，減輕了孔內(nèi)壓水設備的重量，采用小型卷揚即可正常起下。

4　結　語

(1) 抽水蓄能水電站壓力管道、高水頭承壓洞室等工程往往因埋深大、水頭高，承受的壓力比較大，常規(guī)的壓水試驗已無法滿足設計需要，必須采用高壓壓水試驗。

(2) 受現(xiàn)有設備和現(xiàn)場工作條件等限制，高壓壓水試驗過程中氣壓式栓塞難以滿足要求，水壓式栓塞的安全性較差，經(jīng)濟上也受限制。

(3) 改進后的止水栓塞，具有結構簡單易操作、省時省力和體積小等優(yōu)點，在部分工程中已取得成功。

(4) 現(xiàn)有技術條件下，高壓壓水試驗的繞塞滲漏是不可避免的。繞塞滲漏的準確測量、評判和修正，目前尚無適宜的標準，有待繼續(xù)探討。

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Application and Study on Pressure Water Tests with High Pressure in Boreholes of Pumped Storage Power Plant

ZHOU Caigui1, MAO Huibin1, LIN Feng2

(1. Northwest Water Resources and Hydropower Engineering Co., Ltd., Xi'an710065, China;2. Guangxi Electric Power Design Research Institute Co., Ltd., Nanning, Guangxi530023, China)

The pressure water test rather than the conventional pressure water test is required because the later cannot display the permeability of the rockmass under the head pressure as the head of penstock, high-head pressure tunnel, etc of the pumped storage power plant are higher and the pressure acting on the rockmass is concentrated as well. On the basis of description of equipment and technical requirements on the pressure water test with high pressure in borehole as well as in combination with engineering practice in Zhen'an and Fukang pumped storage power plants, issues related to expansion media, packer, etc in the pressure water tests are explored and suggestions are proposed as well.Key words:borehole; pressure water test; packer; pumped storage power plant

1006—2610(2016)04—0078—04

2016-06-17

周彩貴(1974- )，男，甘肅省永登縣人，教授級高級工程師，主要從事巖土工程勘察與工程施工管理.

TU456;TV743

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.020