CCS水電站壓力管道下平段水力劈裂分析及處理

姚陽 婁國川 魏斌

摘 要：為了解CCS水電站壓力管道下平段巖體在高壓水流作用下的透水性變化情況、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和巖體對高壓灌漿的適應(yīng)性，在壓力管道下平段靠近鋼襯段位置進行了水力劈裂試驗。結(jié)果表明：工程運行過程中，在6.3 MPa的水壓力作用下，隧洞具有較好的穩(wěn)定性。但運行時混凝土襯砌段在高內(nèi)水壓力作用下，逐漸貫穿開裂成為透水襯砌，內(nèi)水壓力將作用在周圍巖體上，必須通過高壓固結(jié)灌漿進一步提高巖體質(zhì)量，圍巖灌漿壓力至少要達到7 MPa，使其在長期高水頭作用下不產(chǎn)生大的擴張變形，避免造成嚴重后果。為了提高巖體質(zhì)量，減少內(nèi)水外滲，在壓力管道下平段采用固結(jié)灌漿，下平段混凝土襯砌末端設(shè)置帷幕灌漿圈，在壓力管道混凝土襯砌及鋼襯砌段均設(shè)計了回填灌漿。工程運行期監(jiān)測成果表明，壓力管道整體運行正常，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：高水頭;壓力管道;圍巖;水力劈裂;CCS水電站

中圖分類號：TV67;TV221.2 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.024

Abstract： In order to understand the permeability change and deformation mode of rockmass under high water pressure， the resistance of rockmass fissure to longterm erosion of high water pressure and the adaptability of the rockmass to high pressure grouting of the lower horizontal section of penstock in CCS Hydropower Station， the hydraulic fracturing test was performed at the lower section of penstock near the steel lining section. Based on the test results， the tunnel will have better stability under the water internal pressure of 6.3 MPa during operation period. However， the concrete lining section gradually penetrates and cracks into permeable lining under the high internal water pressure. The internal water pressure will act on the surrounding rockmass. Highpressure consolidation grouting must be used to further improve the rockmass， and the grouting pressure should reach at least 7 MPa， so that it will not produce large expansion deformation under the longterm high water pressure， and avoid serious consequences. In order to improve the quality of rockmass and reduce internal water seepage， consolidation grouting was used in the lower horizontal section of penstock， curtain grouting ring was set at the end of the concrete lining and backfill grouting was designed in both the concrete lining and steel lining sections. The monitoring results show that the penstock is operating normally during the operation period and has met the design requirements.

Key words： high water pressure; penstock; surrounding rock; hydraulic fracturing; CCS Hydropower Station

水力劈裂是指因水壓力抬高而在巖體或土體中引起裂縫及其擴展的一種物理現(xiàn)象[1-2]。在水利水電工程地質(zhì)勘測中，應(yīng)了解工程區(qū)巖體在設(shè)計水頭作用下的物理力學(xué)行為。特別是一些高水頭電站，當(dāng)內(nèi)水壓力達到一定數(shù)值時水工隧洞的鋼筋混凝土襯砌便產(chǎn)生貫穿性開裂，成為透水襯砌，裂隙巖體在高水頭壓力作用下是否張開，其承載高水頭壓力的能力如何，直接關(guān)系到圍巖的穩(wěn)定性[3-4]。因此，高水頭電站水工壓力隧洞若采用鋼筋混凝土襯砌，圍巖在高內(nèi)水壓力下是否會產(chǎn)生水力劈裂而破壞就成為設(shè)計人員關(guān)心的重要問題。為了解CCS水電站高水頭壓力管道下平段巖體的透水性、變形方式以及對高壓灌漿的適應(yīng)性，在壓力管道下平段靠近鋼襯段位置進行了水力劈裂試驗，并提出了灌漿處理措施，為壓力管道的設(shè)計、施工及運行提供了可靠的依據(jù)。

1 工程概況

CCS水電站2條壓力管道（編號分別為TP1、TP2）均由進水塔、上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段和岔支管段組成。2條壓力管道平面距離為16.2～80.0 m，最大內(nèi)水壓力水頭約630 m。其中1#壓力管道主管軸線長度為1 782.630 m，其中上平段長703.841 m，上彎段長47.120 m，豎井段長478.550 m，下彎段長46.070 m，下平段長507.049 m，下平段后部鋼管襯砌段長326.145 m。2#壓力管道主管軸線長度為1 856.340 m，其中上平段長703.841 m，上彎段長47.120 m，豎井段長476.195 m，下彎段長46.070 m，下平段長583.114 m，下平段后部鋼管襯砌段長406.145 m。壓力管道鋼筋混凝土襯砌段內(nèi)徑均為5.8 m、厚0.6 m，鋼襯段主管鋼板厚72 mm[5-8]。

2 基本地質(zhì)條件

壓力管道下平段開挖高程611～630 m，出露的地層巖性為青灰色、紫紅色Misahualli地層的火山凝灰?guī)r和2條肉紅色Misahualli地層流紋巖條帶。壓力管道下平段開挖共揭露了14條斷層和2條流紋巖帶，具體描述見表1。地下水以基巖裂隙水為主，巖體主要為弱透水，其中斷層帶為中等-強透水層。下平段圍巖多為Ⅲ類圍巖，個別洞段為Ⅱ類圍巖，無大的斷層發(fā)育，整體穩(wěn)定性較好。僅在1#洞下平段樁號1+100處受f33、f30斷層影響出現(xiàn)集中性涌水，圍巖穩(wěn)定性差，屬Ⅳ類圍巖。在壓力管道上、下平段進行了地應(yīng)力測試，結(jié)果顯示：壓力管道下平段最大主應(yīng)力為13.76～14.92 MPa，中間主應(yīng)力為10.94～11.46 MPa，最小主應(yīng)力為6.30 MPa。最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NW69°～NW83°，與管道軸線方向小角度相交[9]。

3 圍巖水力劈裂試驗

3.1 試驗方法及原理

水力劈裂試驗就是逐級升高試驗段的壓力，使原生裂隙由閉合逐漸轉(zhuǎn)為張開狀態(tài)的試驗過程，其測試方法是選擇在裂隙巖體上逐級增壓測試[10]。

裂隙巖體的張開壓力與節(jié)理裂隙的空間展布及原地應(yīng)力直接相關(guān)，水力劈裂試驗一般選擇在含有裂隙的巖體中進行，其物理基礎(chǔ)是裂隙巖體的滲流理論，同時裂隙巖體的滲流行為服從達西定律。在試驗過程中，先向測試段施加較低的壓力，得到流量的穩(wěn)定值后，再使壓力升高一級，并重復(fù)上一過程，得到一系列穩(wěn)定壓力下的穩(wěn)定流量值，也就得到了測試段壓力與流量的關(guān)系曲線。開始階段，壓力與流量呈線性關(guān)系，裂隙未張開，滲流速率主要受控于壓力水頭并遵循達西定律。隨著壓力逐步增大，當(dāng)裂隙面由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺堥_狀態(tài)時，流量突然增大，此時裂隙面法線方向的有效應(yīng)力與施加的水壓力平衡，流量突變點對應(yīng)的壓力稱為裂隙巖體的張開壓力，即水力劈裂壓力，它直接反映了測試段處巖體承載壓力水頭作用的能力。

3.2 試驗位置及成果

在2條壓力管道下平段靠近鋼襯段附近的Ⅲ類圍巖洞段各選取一個位置進行試驗，其中測孔PSK01位于1#壓力管道下平段樁號0+917.0處，孔深50 m，孔徑75 mm，垂直向下，孔內(nèi)滿水，且有較強的承壓水;測孔PSK02位于2#壓力管道下平段樁號0+930.0處，孔深50 m，孔徑75 mm，垂直向下。根據(jù)鉆孔巖芯編錄，鉆孔巖層較為完整，主要為微風(fēng)化的凝灰?guī)r，巖芯呈長柱狀，局部發(fā)育少量的裂隙，試驗位置示意見圖1。

對1#壓力管道下平段PSK01測點進行了2段水力劈裂試驗，段長均為2 m。為了解裂隙巖體對高水頭作用下的承載能力，試驗段都選取在裂隙較為發(fā)育的巖體段，試驗結(jié)果見圖2。在PSK01孔的27～29、35～37 m試驗段加壓從2 MPa開始，逐級升壓至7 MPa時漏水流量均很小，當(dāng)壓力增至8 MPa時流量突然增大，從圖2可以看出，曲線在壓力為7 MPa時出現(xiàn)一個拐點，因此最終確定2個測試段巖體水力劈裂壓力均為7 MPa。

對2#壓力管道下平段PSK02測點進行了2段水力劈裂試驗，2個測試段試驗結(jié)果見圖3。在PSK02孔的7～9 m試驗段加壓從2 MPa開始，逐級升壓至10 MPa時漏水量均很小，當(dāng)壓力增至11 MPa時流量突然增大，從圖3可以看出，曲線在壓力為10 MPa時出現(xiàn)一個拐點，因此最終確定該測試段巖體的水力劈裂壓力為10 MPa;在25～27 m試驗段，采用同樣的試驗方式，當(dāng)壓力增至9 MPa時，流量突然增大，說明該測段巖體的水力劈裂壓力為9 MPa。

3.3 成果分析

根據(jù)上述試驗成果，壓力管道下平段圍巖的水力劈裂壓力為7～10 MPa，其中1#壓力管道下平段圍巖的劈裂壓力約為7 MPa，2#壓力管道下平段圍巖的劈裂壓力為9～10 MPa。巖體具有較好的抗水力劈裂能力，2#壓力管道圍巖的水力劈裂壓力高于1#壓力管道圍巖的。

考慮到實測過程中測試的巖體沒有任何加固支護，所以在隧洞經(jīng)過加固支護后，實際的抗劈裂能力會更高。由此分析認為，在工程運行過程中，在6.3 MPa的水壓力作用下，隧洞將具有較好的穩(wěn)定性。但運行時混凝土襯砌段在高內(nèi)水壓力作用下，逐漸貫穿開裂成為透水襯砌，內(nèi)水壓力將作用在周圍巖體上，這樣圍巖成為內(nèi)水壓力的主要承擔(dān)者，必須通過高壓固結(jié)灌漿進一步提高巖體質(zhì)量，使其在長期高水頭作用下不產(chǎn)生大的擴張變形，避免造成嚴重后果。下平段圍巖劈裂壓力最小為7.0 MPa，表明隧洞圍巖灌漿壓力至少要達到7.0 MPa。

4 灌漿處理

為了提高巖體質(zhì)量，減少內(nèi)水外滲，對壓力管道巖體進行了灌漿處理。在壓力管道下平段采用固結(jié)灌漿，下平段混凝土襯砌末端設(shè)置帷幕灌漿，在壓力管道混凝土襯砌及鋼襯砌段均設(shè)計了回填灌漿。

（1）固結(jié)灌漿。壓力管道豎井及下平段采用高壓固結(jié)灌漿，孔深為6 m，每環(huán)孔數(shù)11個，灌漿圈排距均為2.5 m，最大灌漿壓力為7.0 MPa。

（2）帷幕灌漿。在壓力管道下平段混凝土襯砌末端設(shè)置帷幕灌漿圈以延長混凝土襯砌段滲水的滲徑，降低鋼襯砌段外水壓力，避免滲水沿著鋼襯外側(cè)形成直接滲流通道。帷幕灌漿布置在壓力管道混凝土段末端的漸變段上，共設(shè)置7排，入巖深度為12 m，每環(huán)11孔，分兩序孔施工，最大灌漿壓力7.0 MPa。

（3）回填灌漿。壓力管道下平段混凝土襯砌段和鋼襯砌段均進行了回填灌漿?；靥罟酀{范圍為頂拱120°范圍，灌漿壓力0.3～0.5 MPa?；靥罟酀{結(jié)束標準為5 min之內(nèi)的灌漿量小于2 L/m?；靥罟酀{在襯砌混凝土強度達到70%以后進行，回填灌漿結(jié)束以后再進行固結(jié)灌漿。

5 監(jiān)測結(jié)果

在2條壓力管道下平段混凝土襯砌段布置了滲壓計和鋼筋計等監(jiān)測儀器，監(jiān)測滲透水壓力和襯砌混凝土鋼筋應(yīng)力的變化情況，滲透水壓力監(jiān)測成果見表2和圖4～圖5，鋼筋計監(jiān)測成果見圖6。

6 結(jié) 論

（1）壓力管道下平段主要為Misahualli地層的火山凝灰?guī)r，共揭露了14條斷層和2條流紋巖帶，地下水以基巖裂隙水為主，巖體主要為弱透水層，其中斷層帶為中等-強透水層，最大內(nèi)水壓力水頭約630 m。下平段圍巖多為Ⅲ類圍巖，個別洞段為Ⅱ類圍巖和少量Ⅳ類圍巖。

（2）壓力管道下平段圍巖的水力劈裂壓力為7～10 MPa，其中1#壓力管道下平段圍巖的劈裂壓力約為7.0 MPa，2#壓力管道下平段圍巖的劈裂壓力為9.0～10.0 MPa。巖體具有較好的抗水力劈裂能力，2#壓力管道圍巖的水力劈裂壓力高于1#壓力管道圍巖的。

（3）在工程運行過程中，在內(nèi)壓力為6.3 MPa的水壓力作用下，隧洞具有較好的穩(wěn)定性。但運行時混凝土襯砌段在高內(nèi)水壓力作用下逐漸貫穿開裂成為透水襯砌，內(nèi)水壓力將作用在周圍巖體上，必須通過高壓固結(jié)灌漿進一步提高巖體質(zhì)量，圍巖灌漿壓力至少要達到7 MPa，使其在長期高水頭作用下不產(chǎn)生大的擴張變形，避免造成嚴重后果。

（4）為了提高巖體質(zhì)量，減少內(nèi)水外滲，在壓力管道下平段采用固結(jié)灌漿，下平段混凝土襯砌末端設(shè)置帷幕灌漿圈，在壓力管道混凝土襯砌及鋼襯砌段均設(shè)計了回填灌漿。工程運行期監(jiān)測成果表明，壓力管道整體運行正常，滿足設(shè)計要求。

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【責(zé)任編輯 張華巖】