布侖口-公格爾水電站工程壓水試驗成果研究

張 亞

(廣西水利電業(yè)集團(tuán)新疆克州水利發(fā)電有限公司，新疆 喀什 844000)

1 工程概況

布侖口-公格爾水電站工程位于新疆克爾柯孜自治州阿克陶縣境內(nèi)的蓋孜河上，壩址樞紐區(qū)距喀什市、阿圖什市、阿克陶縣城分別為153km、192km、100km，電站位于壩址樞紐區(qū)下游約19km。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)及《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL5180-2003)的規(guī)定和項目建議書審查意見，確定布侖口-公格爾水電站工程等別為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(2)型。水電站發(fā)電洞沿線圍巖巖性為下古生界泥盆系上統(tǒng)(D3)灰綠色、灰色綠泥石云母石英片巖、二云母石英片巖、變質(zhì)砂巖、變質(zhì)石英礫巖互層，綜合發(fā)電洞圍巖巖塊(巖體)各階段試驗、物探成果。

壩基巖體透水性既取決于巖體巖性，又與區(qū)域構(gòu)造發(fā)育程度及地貌單元有關(guān)，為測定巖體透水性，并為巖體滲透特性評價及防滲設(shè)計提供基礎(chǔ)性資料，必須根據(jù)《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》展開鉆孔壓水試驗，在鉆孔中進(jìn)行原位滲透測試[1]。

2 壓水試驗

2.1 試驗過程

根據(jù)該水電站工程壩基所揭露的地質(zhì)條件，選取其中分布在壩線兩側(cè)山體及和河床底部、呈褐紅-青灰色的中等風(fēng)化混合巖體為試驗對象，該巖體原始組織清晰完整，風(fēng)化裂隙發(fā)育，且裂隙表面堅硬、斷口新鮮。為全面評價水電站壩址區(qū)域巖土體滲透特性，沿著壩軸線布置YS1、YS2孔，沿大壩下游布置YS3、YS4孔，沿大壩上游布置YS5、YS6孔，沿引水隧洞軸線布置YS7、YS8孔。鉆探過程中巖芯采樣率25%-98%，巖石質(zhì)量指標(biāo)取值40%-100%，揭露厚度7.2-9.4m。

現(xiàn)場采用XY-100型地質(zhì)勘探鉆機(jī)鉆孔，開孔及終孔口徑分別為130mm和91mm，鉆探時每次進(jìn)尺1.5-2.0m，全孔取芯。清孔、測量水位、安裝儀表、設(shè)置栓塞隔離試段后按照p1=0.3MPa、p2=0.6MPa、p3=1.0MPa、p4=0.6MPa、p5=0.3MPa的三級壓力、五個階段展開壓水試驗。先應(yīng)用壓水法將鉆頭清洗至符合試驗要求，借助出水管調(diào)節(jié)送水壓力，并將壓力值控制5-10min后進(jìn)行流量觀測并記錄。根據(jù)所觀測得壓力和流量值繪制P-Q曲線，計算試驗段透水率。鉆孔清洗應(yīng)通過壓水法進(jìn)行，栓塞不得存在堵塞、彎曲及破裂情況，接頭處應(yīng)加強(qiáng)止水處理；下栓塞前必須觀測水位，壓水試驗開始后按照5min的時間間隔進(jìn)行水位觀測。在觀測流量前通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥使試段壓力升至預(yù)定值并保持穩(wěn)定；流量觀測時間間隔應(yīng)為1-2min，當(dāng)流量基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且連續(xù)5次流量的最大值與最小值之差不超出最終值的10%時即可結(jié)束壓水試驗，并以最終試驗結(jié)果為計算值。將試驗段壓力調(diào)整至新的預(yù)定值后再重復(fù)上述過程，直至完成全部試驗。

壓水試驗設(shè)備主要包括壓水系統(tǒng)、止水系統(tǒng)及量測系統(tǒng)三個部分。壓水系統(tǒng)包括水箱、水泵、水位計；止水系統(tǒng)主要指止水栓塞；量測系統(tǒng)為壓力表、流量計。壓水試驗開始后由上至下分段壓水，按照5m長度確定試驗段；采用單管頂壓式栓塞止水。

2.2 p-Q曲線

壩基巖體壓水試驗過程中試段壓力P由壓力計指示壓力和水頭壓力兩部分組成，前者取值直接從試驗段連通測壓管壓力計讀取，而后者則為壓力計中心至壓力計算零線水柱壓力[2]。試段透水率根據(jù)第三階段壓力與流量計算，公式如下：

(1)

式中：q為試段透水率，Lu；Q3為第三試段壓力，MPa；p3為第三試段流量，m3/s；L為試段長度，m。

試段壓力不同，所對應(yīng)的巖體裂隙中滲流狀態(tài)也不盡相同，滲透性會根據(jù)巖體裂隙開度、充填物位置等發(fā)生變化。根據(jù)相關(guān)規(guī)程，在壩體布置鉆孔展開壓水試驗；根據(jù)壓水試驗所得到的壓力-流量關(guān)系繪制p-Q曲線。規(guī)程將壓水試驗p-Q曲線分為層流型、紊流型、擴(kuò)容型、沖蝕型及充填型等，布侖口-公格爾水電站現(xiàn)場壓水試驗p-Q曲線主要以沖蝕型及充填型為主(見表1)，分別占比65.4%和34.6%；YS8測點在8.1-11.2m段存在漏水，其余測點均無漏水發(fā)生。

表1 壓水試驗p-Q曲線類型

壓水試驗沖蝕型p-Q曲線表明，在受到試驗壓力作用后，巖體裂隙加寬，隱裂隙劈裂并與原裂隙連通，裂隙內(nèi)充填物沖刷破壞容易程度大大增加，巖體滲透性及流量增大，試驗壓力降低后部分無法恢復(fù)原狀。壓水試驗充填型p-Q曲線表明，巖體裂隙短小，裂隙之間連通性一般，且部分處于閉合狀態(tài)；裂隙內(nèi)充填物呈松散狀，受到試驗水頭壓力作用后發(fā)生移動，固體顆粒及水充填破碎帶縫隙和半封閉裂隙，降壓段流量呈減小趨勢[3]。

2.3 不透水層上限分析

水電站庫區(qū)巖土層透水率比設(shè)計透水率小的地層即為相對不透水層，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，布侖口-公格爾水電站應(yīng)以5Lu為界，且相對不透水層必然位于弱風(fēng)化巖體內(nèi)。8個鉆孔所進(jìn)行的25段壓水試驗透水率及所對應(yīng)的相對不透水層埋深上限具體見表2。

表2 壓水試驗結(jié)果

根據(jù)壓水試驗結(jié)果，部分鉆孔巖土層透水率在5Lu以下，壩軸線鉆孔中相對不透水層埋深最大為14.31m，最大高程為91.23m；大壩下游鉆孔中相對不透水層埋深最大為13.40m，最大高程為83.00m；大壩上游鉆孔中相對不透水層埋深最大為16.25m，最大高程為56.20m；沿引水隧洞軸線布置的鉆孔中相對不透水層埋深最大為15.20m，最大高程為76.70m。從孔口開始至孔底，巖體透水率逐漸減??；壩址河床處表層沖洪積層透水性強(qiáng)，底層風(fēng)化礫巖層厚度適中，泥質(zhì)膠結(jié)且充填砂質(zhì)，隨著深度的增大，巖體微裂隙發(fā)育程度持續(xù)減弱，透水性也呈減弱趨勢。壩址側(cè)山體表層覆蓋殘坡積層，底層為風(fēng)化基巖，連通性良好；深部為完整性較好、透水性較弱的弱風(fēng)化礫巖。整體而言，該水電站壩址區(qū)巖體透水性從地表開始向下呈現(xiàn)非線性遞減趨勢。

發(fā)電洞沿線圍巖大多為弱風(fēng)化-新鮮巖體，發(fā)電洞洞身處巖體屬弱透水巖體，但隧洞局部洞段圍巖可能會達(dá)到中等-強(qiáng)透水，出現(xiàn)潮濕、滲水、滴水或局部涌水的現(xiàn)象，出現(xiàn)這些現(xiàn)象的洞段主要為埋深淺的大沖溝段，斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育段，施工中應(yīng)采取加強(qiáng)觀測及排水措施。

3 結(jié) 論

綜上所述，水電站勘察階段必須進(jìn)行區(qū)域巖體滲透性評價，滲透性嚴(yán)重程度主要受巖體屬性、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地貌條件等的影響。根據(jù)鉆孔勘探及壓水試驗結(jié)果，水電站壩基巖體裂隙受到壓力作用后發(fā)生變化，透水性增大，巖體裂隙連通性不強(qiáng)；地表以下巖體透水性呈遞減趨勢，且不透水層上限均處于弱風(fēng)化帶之中。為此，筆者建議，該水電站壩基左右岸、河床等處防滲深度應(yīng)深入相對不透水層以下1.0m，且左右岸沿著壩軸線向兩岸繞壩延伸防滲，并根據(jù)水電站正常蓄水位線和相對不透水層交點確定延伸寬度。