一種壓水裝置在非洲某水電站勘察中的應(yīng)用

何險(xiǎn)高 趙志偉 逯彥虎 汪 凌

(江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 211102)

0 引言

近年，隨著中國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，越來(lái)越多的大型國(guó)企，走向了世界的舞臺(tái)，基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，對(duì)各種項(xiàng)目工程勘察的要求越來(lái)越高。在水利水電工程項(xiàng)目的勘察過(guò)程中，壩基巖體的滲透性是壩基施工、壩基防滲的重要參數(shù)，如何通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)，模擬施工、運(yùn)行工況下，測(cè)出各巖層滲透系數(shù)分布特征及規(guī)律是壩基勘察的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

前人在國(guó)內(nèi)很多項(xiàng)目上也曾多次對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)歸納，例如鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀的研制與推廣應(yīng)用[2]，鉆孔壓水試驗(yàn)在工程勘察中的應(yīng)用[3]，其工作原理大體相同，但因?yàn)樵O(shè)備儀器、人為操作及地質(zhì)條件的不同，實(shí)際應(yīng)用中的成果差別較大。本文介紹了已申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利的一種測(cè)定巖體滲透系數(shù)的壓水裝置在非洲某水電站勘察中的應(yīng)用，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)出一套較成熟的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

非洲某水電站位于多哥、貝寧兩國(guó)界河莫諾(Mono)河上，莫諾河自上而下規(guī)劃有三個(gè)梯級(jí)，該水電站為莫諾(Mono)河水電規(guī)劃的最后一級(jí)電站，距離已建龍頭電站南貝托(Nangbeto)水電站壩址約97 km，壩址位于Adjarala瀑布上游處，右岸位于多哥境內(nèi)，距離多哥首都洛美(Lome)約150 km；左岸位于貝寧境內(nèi)，距離貝寧最大城市科特努(Cotonou)約135 km。

該水電站水庫(kù)正常蓄水位80.0 m，總庫(kù)容6.3×108m3，裝機(jī)容量147 MW(3×49 MW)，多年平均發(fā)電量約4.610×108kW·h，屬大(2)型水電站。水電站樞紐建筑物主要由攔河大壩+壩后地面廠房組成。攔河大壩由碾壓混凝土重力壩(1 050 m)+右岸黏土心墻壩(1 430 m)+右岸埡口土石副壩(1 300 m)組成，壩軸線(xiàn)總長(zhǎng)約3 780 m，其中碾壓混凝土重力壩及黏土心墻壩壩頂高程82.5 m，最大壩高約50 m；右岸埡口土石副壩壩頂高程82.0 m，最大壩高約5 m。

2 一種測(cè)定巖體滲透系數(shù)設(shè)備簡(jiǎn)介

該測(cè)定系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：一是止水裝置部分，另一個(gè)是壓水量測(cè)部分。

2.1 止水裝置

止水裝置包括壓水桶、高壓細(xì)水管、橡膠塞，橡膠塞中間設(shè)有通水管，橡膠塞側(cè)面設(shè)有進(jìn)水口連通橡膠塞與通水管之間，高壓細(xì)水管連接壓水桶與橡膠塞。根據(jù)壓水段直徑的不同，選擇不同規(guī)格的橡膠塞；根據(jù)不同孔深可能承受的壓力值不同，選擇不同耐壓強(qiáng)度的橡膠塞。該止水裝置另附帶有高壓管、壓水泵等相關(guān)設(shè)備。常用壓水試驗(yàn)橡膠塞規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 常用壓水試驗(yàn)橡膠塞性能參數(shù)

2.2 量測(cè)裝置

上部壓水量測(cè)裝置(如圖1所示)包括空氣室、進(jìn)水水管、高壓水管和排水水管。進(jìn)水水管與排水水管連接鉆機(jī)水泵(或?qū)Ｅ渌?，進(jìn)水水管連接空氣室，空氣室另一端通過(guò)管道連接高壓水管，管道上設(shè)有水壓表，排水水管上設(shè)有控制閥。

3 測(cè)試方法

3.1 測(cè)試原理

其中，q為試驗(yàn)段透水率，Lu；L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m；Q3為第三階段的計(jì)算流量，L/cm3；P3為第三階段的總試驗(yàn)壓力，MPa。

其中P3=Pp+Pz-Ps。

其中，Pp為壓力表的讀數(shù)壓力，MPa；Pz為壓力表到壓力面的水壓力，MPa；Ps為管道壓力損失,MPa。

計(jì)算出來(lái)的透水率保留2位有效數(shù)字。透水率小于0.10 Lu時(shí)記為零。

根據(jù)每段試驗(yàn)成果，繪制P—Q曲線(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)類(lèi)型，判斷巖體裂隙類(lèi)型。

計(jì)算出透水率，從而評(píng)價(jià)巖體滲透性，為壩基防滲處理方案提供可靠依據(jù)。

3.2 操作步驟

1)鉆孔要求：鉆孔口徑不小于75 mm、不大于130 mm，可根據(jù)孔徑不同，選擇不同型號(hào)的止水塞與之相對(duì)應(yīng)。鉆孔孔壁要相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有掉塊、塌孔現(xiàn)象，壓水鉆孔一般不得使用泥漿、植物膠等護(hù)壁材料鉆進(jìn)，以防堵塞巖體裂隙，影響壓水試驗(yàn)成果。

2)水泵要求：可以用鉆機(jī)自帶水泵，也可以單獨(dú)配水泵，所有連接的水管應(yīng)能承受不小于1 MPa的壓力。

3)所有與量測(cè)裝置活動(dòng)連接部位，均需要用“生膠帶”纏繞，以達(dá)到止水效果。

4)量測(cè)開(kāi)始時(shí)，先將止水塞與鉆桿連接，將止水塞底部下到待測(cè)試段頂部位置，例如要測(cè)20.0 m～25.0 m透水率，則將塞子底部下到20.0 m位置。

5)到指定位置后，通過(guò)手壓泵向止水塞中注水，使止水塞膨脹，注水壓力不少于5 MPa，或者手工無(wú)法再加壓為止。

6)連接量測(cè)部分到水泵上，先試壓，向孔內(nèi)注一定水后，觀測(cè)孔內(nèi)水位變化，如果水位不變，則說(shuō)明止水效果良好，否則則說(shuō)明有繞滲現(xiàn)象，需要對(duì)止水塞進(jìn)行微調(diào)，再重復(fù)上述步驟，直到孔內(nèi)水位不變。

7)正式壓水開(kāi)始，通過(guò)調(diào)節(jié)出水閥，來(lái)達(dá)到改變水壓的目的，宜按照0.3 MPa,0.6 MPa,1 MPa,0.6 MPa，0.3 MPa順序加壓，也可以根據(jù)實(shí)際的情況調(diào)整壓力。每級(jí)壓力持續(xù)5 min，通過(guò)水表記錄每分鐘的流量，取平均值作為該壓力下的實(shí)際流量。

8)根據(jù)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理壓水試驗(yàn)成果，繪制P—Q曲線(xiàn)，計(jì)算巖體透水率，評(píng)價(jià)巖體透水性。

4 數(shù)據(jù)分析和解釋

4.1 地下水類(lèi)型

壩址區(qū)地下水類(lèi)型主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，孔隙水主要賦存于第四系松散地層中，接受大氣降水及地表水補(bǔ)給，向地表溝谷及地下基巖裂隙等排泄；裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙及斷層破碎帶中，接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，向河床、溝谷等排泄。

4.2 地下水位

壩址區(qū)莫諾河河水位高程約37 m，根據(jù)勘察期間地下水位觀測(cè)成果，左岸穩(wěn)定地下水位高程最高約為65.8 m，地下水位坡降約5.2%；右岸穩(wěn)定地下水位高程最高約為63.8 m，地下水位坡降約1.7%。根據(jù)兩岸地下水位分布特征可知，兩岸地下水位坡降較小，莫諾河(Mono)為壩址區(qū)的最低排泄基準(zhǔn)面，屬兩岸地下水補(bǔ)給河水類(lèi)型。

4.3 巖體滲透性

本次勘察在壩址區(qū)巖體中共完成了壓水試驗(yàn)189段，試驗(yàn)段巖體多為弱～微風(fēng)化花崗巖、花崗片麻巖。選取一典型鉆孔，鉆孔壓水試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 壩址區(qū)鉆孔壓水試驗(yàn)成果表

根據(jù)試驗(yàn)成果，繪制P—Q曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

根據(jù)左岸、河床及右岸鉆孔壓水試驗(yàn)成果，繪制了左岸、河床及右岸巖體透水率與鉆孔深度變化關(guān)系圖(見(jiàn)圖3)。

5 結(jié)語(yǔ)

采用這種測(cè)定巖體滲透系數(shù)的壓水裝置，在鉆孔中進(jìn)行壓水試驗(yàn)，可以獲得巖體透水率較可靠的原始資料，并通過(guò)整理分析，得出壩址區(qū)巖體透水率分布情況，為大壩帷幕灌漿提供依據(jù)。在實(shí)際操作中，由于巖體破碎程度不同、施工工藝問(wèn)題、供水設(shè)備水壓不穩(wěn)、鉆桿止水效果不佳、巖粉堵塞裂隙等不利因素，對(duì)成果的完美性有所影響，但通過(guò)大量的工程實(shí)踐與研究，也積累了豐富的類(lèi)似作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。隨著該壓水裝置應(yīng)用技術(shù)的推廣應(yīng)用，必然對(duì)我國(guó)“一帶一路”工程項(xiàng)目建設(shè)起到積極的推動(dòng)作用。