高压压水试验在抽水蓄能电站勘察中的应用

2014-03-24李钰强

资源环境与工程 2014年4期

李钰强

(1.国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心,陕西西安　710065; 2.西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安　710065)

1　工程概况

镇安抽水蓄能电站位于陕西省商洛市镇安县月河乡东阳村镜内的月河干流上。电站装机1 400 MW,最大发电额定静水头478.5 m。为得到高压岔管部位在高压水头作用下,岩体透水率及岩体裂隙的劈裂水头压力值,在引水隧洞岔管及厂房端墙部位选取有代表性试验段,进行管道内水压力1.5 倍的专门性压水试验。测试岩体的渗透性及劈裂压力值,并与常规压水试验对比,以确定该部位岩体在高压作用下的渗透特性的变化规律。

试验布置在高压岔管及厂房部位的钻孔中,岩体均为中生代印支花岗闪长岩,呈灰白色—浅灰色,中细粒结构或过渡为花岗变晶结构。试验段节理发育一般,未见有断层通过。

2　高压压水目的

在一般情况下,岩石的透水率随压力的增大而增大,一些在低压下不渗透或透水率很低的岩石,在高压下透水或透水量明显增大。而传统的压水试验压力值偏低(0.3,0.6,1.0 MPa),试验结果难以确切地反映岩体在真实水头压力下的渗透特性。

岩体在高压水流作用下,岩体中的软弱结构面(节理、断层破碎带等)有可能张开或扩展,导致岩体原始透水状况发生改变。对于高水头电站和抽水蓄能电站,承压洞室和高压管道而言更是如此。因而进行钻孔高压压水测试,以期了解岩体在高压水流作用下的渗透性能及其在高压渗透状态下岩体张开、拉裂的临界压力和岩体的变形方式等都是很有意义的[1-2]。

3　高压压水试验设备及技术要求

3.1　高压压水试验设备

本工程高压压水测试系统采用双回路连接方法。所谓双回路，即由两个独立的供水回路构成。其中一个回路是用一根高压胶管连接地面水泵和井下栓塞,由地面水泵施压使栓塞膨胀止水;另一回路是通过钻杆向试验段内直接注水加压,进行压水试验。双回路压水系统的特点是在地面可始终监视栓塞膨胀效果,必要时可随时给栓塞补压。地面设备主要有高压水泵、流量传感器、压力变送器、阀门、高压胶管、灌浆自动记录仪、数据采集系统等[3]。

3.2　高压压水试验技术要求

本次高压压水试验采用两个循环,第一循环试验中采用8个压力值15个压力阶段,即P1=P15=1 MPa、P2=P14=2 MPa、P3=P13=3 MPa、P4=P12=4 MPa、P5=P11=5 MPa、P6=P10=6 MPa、P7=P9=7 MPa、P8=8 MPa,压力阶段为:P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15。

第二循环试验中采用5个压力值9个压力阶段,即1 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa,即P1=P9=1 MPa、P2=P8=2 MPa、P3=P7=4 MPa、P4=P6=6 MPa、P5=8 MPa。压力阶段为P1P2P3P4P5P6P7P8P9。在透水量较大时,压力点的压力值有所下调[4]。

试验中压力和流量观测方法完全按《水利水电工程钻孔压水试验规程》中的相应规定进行。稳定流量标准为:每2 min读一次数,连续五次,其最大值与最小值之差小于终值的10%,即:Qmax-Qmin

4　高压压水试验曲线类型

本次试验共在4个孔中进行了68段压水试验,根据68段试验段统计,发现高压压水P-Q曲线并不符合常规压水试验的5种曲线类型,通过统计分析本试验曲线可分为以下3类:

4.1　开裂型

该类试验段岩体往往裂隙较发育,且抵抗水力劈裂的临界压力值较小,加压值通常达不到设计的最高压力值;在压力达到临界压力时,渗流量就急剧增大,而临界水压力与裂隙面上的法向地应力、抗拉强度以及裂隙间的充填物等有关,从P-Q图上可以反映出开裂后压力基本不会增加,有时还会下降,流量却急剧增加。说明此时该裂隙已经开裂(图1)。

4.2　扩张型

该类型试验段岩体所含裂隙较少,抵抗水力劈裂的临界压力值较大,不存在明显的临界压力,而且流量随水压力的增加而增加,随水压力的减小而减小。从P-Q图上可以反映出流量随压力增大而增加,压力下降流量随之下降,说明充填的裂隙水在地应力作用下,流出裂隙,同时裂隙未被劈裂(图2)。

4.3　不透水型

该类型试验段岩体十分完整,透水率极小,在最小压力和最大压力情况下流量基本没有变化,不存在临界压力,透水率随着压力增大而减小。从P-Q曲线图反映出,流量不随压力的变化而变化,说明岩体完整,无裂隙发育,完整岩体的劈裂值比8 MPa大,如图3不透水型曲线图。

图1　开裂型曲线图

图2　扩张型曲线图

图3　不透水型曲线图

以上3种试验曲线,是在同种地层岩性中试验取得的,只是因为岩体的裂隙发育情况不同,所得的曲线类型不同。

5　试验成果分析

本次试验共进行了4个钻孔68段试验,我们选择了其中1孔17段试验进行分析(表1)。

高压压水试验中,最大吕荣值为15.50 Lu,渗透系数为1 591.3×10-4m/d,以3(不透水)型和1(开张)型为主,分别为35.3%和52.9%。

在第4、6、8、9、15试验段和第17试验段高压压水试验为开裂型,曲线拐点明显,有临界压力值。岩石完整性较好,RQD在80%以上。其中第15段试验段岩体完整性好,RQD达95%,但在5.01 MPa时,流量由2.9 L/min突升至48.62 L/min,压力陡降至2.93 MPa,渗透率由0.06 Lu升至4.49 Lu。根据钻孔编录资料,该试验段裂隙主要为缓倾角裂隙,裂隙多闭合,裂隙充填物较少,说明该段岩体沿裂隙面被劈裂。

第1、3、5、7、13试验段和第14试验段并未出现明显的拐点,临界压力值不明显,岩体完整性较好,岩体的RQD值均>80,最高为100。岩体的透水率随压水压力的增加而增加,一般在1 Lu以下,最大值为0.07 Lu,相比常规压水试验渗透系数增大较多。岩石的透水率最大值一般在1 MPa,岩石透水率随压力增大而减小,破碎岩体,裂隙较为发育段,岩石的透水率均出现在最大压力值下。

表1　高压压水试验统计表

第16试验段岩体透水率为16.29 Lu,最大压力值为2.12 MPa,但是岩体RQD值为91,说明岩石较为完整,从钻孔编录反应,此段发育两组裂隙,倾角分别为3°～5°和68°(图4)。在钻孔试验过程中,压力增加,孔口涌水量增加,说明裂隙上下贯通,导致渗透率和渗透系数增大。

图4　第16段岩心裂隙发育情况

从成果表中可以看出,透水率随压力增大而增大,一般<0.1 Lu,个别值达15.5 Lu(裂隙发育段)。这是因为随着压水压力的增加,岩体中地应力的抵抗力减弱,裂隙的张开度逐渐增大,所以在裂隙发育段,高压压水的透水率随压力增大而增大。根据压力与流量关系曲线类型计算岩体透水率取值范围为0.03～0.68 Lu,裂隙发育段岩体透水率取值范围在1.22～15.5 Lu。

完整岩体从测试结果可以看出在高压作用下岩体始终处于弹性变形状态,升压曲线为直线,降压曲线与升压曲线基本重合,这是因为在整个试验过程中,岩体裂隙状态基本没有发生变化,压力增加,流量基本不增加。

裂隙发育岩体从测试结果可以看出,曲线凸向P轴,在第一循环时,试段岩体在临界压力前基本不透水;当曲线出现明显的拐点,即岩体产生劈裂的临界压力。当压力超过临界压力时,高压渗透的结果使岩体裂隙产生冲蚀、扩张,进而产生劈裂,使得岩体渗流量迅速增大。同时,从第2循环的P-Q曲线清晰显示,在高压水流作用下,岩体中原有裂隙继续产生新的扩张、

延伸,由于试段岩体在第一循环破裂后产生的变形未能完全恢复,故其升压阶段的流量均大于第一循环时相同压力的流量,且临界压力小于第一循环时的临界压力,并且在最高压力下,流量大于第一循环时,由此表明,裂隙岩体存在着一定的时间效应。即在高压水流的持续作用下,裂隙岩体的变形会持续增大,从而致使岩体产生劈裂的临界压力进一步降低。