荒沟抽水蓄能电站输水隧洞的高压压水试验

2014-03-22张大龙李长顺杨宗玲武立明

东北水利水电 2014年1期

关键词：岔管压水岩体

张大龙，李长顺，杨宗玲，武立明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司地质处，吉林长春 130021）

荒沟抽水蓄能电站输水隧洞的高压压水试验

张大龙，李长顺，杨宗玲，武立明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司地质处，吉林长春 130021）

为了解荒沟抽水蓄能电站输水隧洞在高压水头作用下的渗透特性及其在高压渗透状态下岩体张开、拉裂的临界压力等，以 ZK181 钻孔第七段第一、第二循环试验为例，进行试验结果分析，为设计部门提供依据。

输水隧洞；荒沟抽水蓄能电站；高压压水试验

0引言

高压压水试验是为了解岩体在高压水头作用下的渗透特性及其在高压渗透状态下岩体张开、拉裂的临界压力等设计参数，为设计部门提供设计依据。

工作区输水隧洞埋深一般为 60～430 m，高压岔管岔管部位埋深约 415 m，承受最大内水压力约7 MPa，此次高压压水试验的最大压水压力是按管道内水压力的 1.2 倍设计的。这种试验方法在我国大中型抽水蓄能水电站勘察中已被广泛应用。

1 概述

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省海林市境内，距莲花水电站约 45 km。该电站系以三道河右岸的山间洼地作为上水库，已建的莲花水库作为下水库。电站装机 1 200 MW,为大型抽水蓄能水电站。其输水隧洞的高压岔管型式为“卜”型，分岔角为 60°，岔管内径由 6.7 m 渐变至 3.9 m，岔管段长度为 25 m，围岩为华力西晚期白岗花岗岩。

2 试验设备

2.1 试验、记录主要设备

1）高压水泵：采用宜昌黑旋风工程机械有限公司生产的 3 SNS 高压水泵，最大压力可达 10MPa，最大流量为 100 L/m in，电机功率为 18.5 kW。

2）自动记录仪：由浙江杭钻机械制造股份有限公司生产的 TS型智能自动记录仪。最大压力10 MPa，最大流量为 150 L/m in。

3）抗震压力表：试验选用国产压力表，测量范围 0～20 MPa，精度 1.5 级。

4）流量计：采用智能涡轮流量计,安装在出水口,数字显示压水过程中的累积流量和瞬间流量,精度 1 L/m in。

5）栓塞：试验栓塞采用可承受 30 MPa 压力的XTF-2型橡胶液压双栓塞。

3 高压压水试验主要技术要求

1）压水试验程序。压水试验工作要求在试验孔造孔全部结束后进行，压水试验采用自下而上的顺序进行高压压水试验。

2）试段长度。此次高压压水试验计划每段长度约为 5 m，严禁漏段。

3）试验压力及分级。根据 DL/T5208—2005《抽水蓄能电站设计导则》的要求，进行管道内水压力1.2 倍的专门性压水试验，另据设计提供的岔管内水压力 7MPa，确定试验的最大压力值约为 8.4MPa。试验划分为 8 级、12 个压力阶段。

4）加压及循环方式、延续时间。按照试验工作大纲的要求，对完整岩体采用单循环，断层破碎带等破碎岩体采用4个循环。

①单循环加（减）压：单循环选用 8个压力值12 个压力阶段，每级压力及循环方式如下：1 MPa→2 MPa →3 MPa→4 MPa→5 MPa→6 MPa→7 MPa→8.4 MPa→7MPa→5 MPa→3 MPa→1 MPa。

②4 个循环加（减）压：第 1 循环选用 8个压力值 12 个压力阶段，每级压力及循环方式与单循环加（减）压相同。第 2，3 循环选用 5 个压力值 9 个压力阶段，每级压力及循环方式为 1 MPa→3 MPa →5 MPa →7 MPa →8.4 MPa →7 MPa →5 MPa→3 MPa→1 MPa。第 4 循环选用 8 个压力值12 个压力阶段，每级压力及循环方式为 1 MPa→3 MPa →5 MPa →7 MPa →8.4 MPa →7 MPa →6 MPa→5 MPa→4 MPa→3 MPa→2 MPa→1 M pa。

试验升压时，流量稳定后每级压力持续 5m in；出现临界压力后，每级压力流量稳定后持续 30m in；加至最高压力时，持续 30m in；试验卸压时，每级压力流量稳定后持续 5m in。

4 高压压水试验结果

下面以 ZK181 钻孔第 7 段第 1，第 2 循环试验为例，进行试验结果分析。

该段位于高压岔管中心线以上 33.85 m 处，见f9断层破碎带通过，产状 N 16.3°W，倾向 SW，倾角77.9°，出露深度 381.23～382.23 m，由碎块岩及少量碎裂岩组成，该断层可能延伸至岔管部位，距 1 号高压岔管中心线约 9m。岩体完整性差，岩芯 RQD平均值为 47%，岩体完整性系数 Kv=0.55。

第 1，第 2 循环试验成果详见表 1，高压压水P～Q 曲线见图 1。

从图 1（a）可以看出，此段曲线为 E(填充)型曲线。试段岩体在压力由 1MPa升至 7MPa的流量逐渐增大，为 3.01～28.73 L/m in，升至 8.4MPa 时流量最大，为 41.29 L/m in。从测试曲线可以看出，升压过程中，曲线没有出现明显的拐点，但在压力4MPa与 5MPa之间流量变化相对较大，两者流量相差约7 L/m in，可认为 4 MPa为本段断层破碎带产生劈裂的临界压力。降压曲线位于升压曲线的左侧，与升压阶段相同压力下的流量相比，流量略有减少，同级压力降压流量一般为升压流量的 0.7～0.9 倍，1 MPa时流量降到 0。说明此循环试段岩体在试验期间，裂隙发生了变化，岩体渗透性降低，主要是由于破碎带内裂隙被部分堵塞造成的。此外，裂隙处于半封闭状态，当被水充满后，流量逐渐减少。

表 1 ZK181 钻孔第 7 段第 1、第 2 循环高压压水试验成果汇总表

图 1 第 7段高压压水 P～Q 曲线

从图 1（b）可以看出，曲线凸向 P 轴，升压与降压曲线大体重合或接近，多稍偏在第1循环的降压曲线的左侧。第 2 循环为 C(扩张)型曲线。从第1 循环到第 2 循环 P—Q 曲线类型的变化表明：该试段岩体断层破碎带在压水试验过程中，随着时间的延续，裂隙逐渐被填充后又被逐渐扩张。降压与升压的 1 MPa，3 MPa，5 MPa，7 MPa 压力下流量与其对应压力的流量相比变化不大，说明断层岩体经过第 1 循环的冲蚀、填充、扩张后，裂隙变形基本稳定，没有再继续扩张。同样，曲线没有出现明显拐点。

应当指出，虽然此段试验测试曲线没有出现明显拐点，但从历时试验曲线可以看出，第 2 循环的升压 3 MPa压力时，流量曲线波动相对剧烈，分析原因可能该压力时断层岩体裂隙可能出于冲蚀、扩张的临界状态，由此判断，此段岩体的临界压力大体为 3 MPa。本段岩体虽为断层破碎，但透水率很小，属微透水。