隧洞岔管高压压水试验及成果分析

刘录君，季 聪（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）



隧洞岔管高压压水试验及成果分析

刘录君，季 聪
（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

［摘 要］荒沟抽水蓄能电站地下厂房为埋深约300m的地下洞室群，压力管道最大工作水头为700m左右，均为钢筋混凝土衬砌。因此，在引水岔管采用合理的试验方法，进行高压压水试验，从而测定高压岔管部位围岩在高水头下的渗透特性、渗透稳定性及临界压力。

［关键词］荒沟抽水蓄能电站；高压压水试验；临界压力

1　工程概况

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省海林市境内，距牡丹江市约130 km，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，是一座大型抽水蓄能水电站。上水库正常蓄水位652.50 m，总库容1 161×104m3。下水库正常蓄水位218m。其枢纽建筑物主要由上水库挡水主坝、库尾垭口挡水副坝、输水隧洞、上下游调压井和中部地下厂房等组成。

输水隧洞高压岔管位于下平段后，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（沿主管轴线方向）。引水岔管承受最大内水压力约7 MPa，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.8 m，双层配筋。

压力管道最大工作水头为700 m左右，正常工况下工作水头为512.96 m。

2　高压压水试验目的

高压压水试验的目的是在高压岔管部位选择有代表性试验段，进行管道内水压力1.2倍的专门性高压压水试验，测定输水隧洞高压岔管部位围岩在高水头下的渗透特性、渗透稳定性及临界压力，为高压岔管设计提供依据。

3　试验地段地质简况

据位于高压岔管部位的ZK181钻孔岩芯及孔内数字成像资料分析，孔内共见有f39～f46、F54等9条断层通过。上述断层规模一般较小，宽度多小于0.1 m，其中f45断层规模最大，破碎带宽度4.24 m，f46，f41断层宽度分别为0.21 m和0.44 m。按断层产状分析，仅f46断层可能通过高压岔管。岔管附近基岩节理裂隙不发育。以倾角55°～85°的中、陡倾角节理为主，其次为倾角20°～40°的缓倾角节理。节理间距一般50～200 cm，张开0～1.5 mm，充填石英薄膜或岩屑。

4　高压压水试验主要技术要求

4.1试验设备

这次高压压水试验的主要试验设备包括高压水泵、自动记录仪、电磁流量计、压力表、试验栓塞、栓塞外管、栓塞内管、地面注水胀塞系统等。

4.2试验钻孔

在高压岔管地表布置高压压水试验钻孔1个，编号ZK181，设计孔深按高压岔管中心线（139.54 m高程）以下15 m控制，钻孔地面高程557.34 m，终孔孔深433.80 m。

4.3试段划分

高压岔管中心线设计高程为139.54 m，在孔底以上30 m，即岔管中心线上下各15 m范围内固定6段高压压水试验，每段段长4.95 m，试验高程152.19～125.09 m；此外，根据钻孔岩芯编录及孔内数字成像成果，选择高程178.34～173.39 m可能通过高压岔管的断层破碎带岩体进行1段高压压水试验。最后确定了7段高压压水试段。其中第7段为断层部位。

4.4试验压力

依据DL/T5331-2005《水电水利工程钻孔压水试验规程》附录A的规定，高压压水试验最高压力不宜小于建筑物工作水头的1.2倍。该工程压力管道最大工作水头为700 m左右，确定最大试验压力为8.4 MPa，试验压力范围为1～8.4 MPa。

4.5加压及循环方式、延续时间

根据钻孔地质编录情况，结合钻孔数字成像成果，第一段～第六段多为完整岩体，局部为较完整岩体，第七段为破碎（断层破碎带）岩体。因此，加压及循环方式、延续时间分完整岩体和破碎岩体两种情况。

4.5.1完整岩体

完整岩体的试验目的主要为测定岩体在高压水头作用下的渗透特性。自孔底向上共选择六段进行高压压水试验。其中洞顶拱第五段采用4个循环进行高压压水试验，其余五段均采用单循环。

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→7 MPa→5 MPa→3 MPa→1 Mpa。

试验升压时，每级压力流量稳定后持续5 min，出现临界压力后的每级压力流量稳定后应持续30 min；加至最高压力时稳定压力读数持续30 min；卸压时每级压力流量稳定后持续5 min。

2）4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为1 MPa→2 MPa→3 MPa→4 MPa→5 MPa→6 MPa→7 MPa→8.4 MPa→7 MPa→5 MPa→3 MPa→1 MPa。

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 Mpa。

每个循环升压时，流量稳定后每级压力持续5 min，出现临界压力后的每级压力流量稳定后持续30 min；加至最高压力时持续30 min；每个循环卸压时每级压力流量稳定后持续5 min。

4.5.2破碎（断层破碎带）岩体

破碎（断层破碎带）岩体试验目的为测定岩体在高压水头作用下的渗透稳定和临界压力，采用4个循环。第七段为断层破碎带，采用4个循环的加压方式。

4　高压压水试验成果分析

这次高压压水试验自孔底向上共选择7段个试段。其中完整岩体6段，洞顶拱第五段采用4个循环加压方式，其余五段均采用单循环。第七段为断层破碎带，采用4个循环的加压方式。下面仅以第五段4个循环高压压水试验为例，进行试验成果分析。

4.1第五段验成果分析

这试验段位于高压岔管中心线以上2.80～7.75 m之间的顶拱部位，孔深为410.05～415.00 m，试段长度4.95 m。试段岩体岩芯呈长柱状，岩芯RQD平均值为87%，岩体完整性系数Kv=0.75，较完整。见有J6节理，共3条，倾角65°，裂隙微张，充填岩屑，裂隙频率0.61条/m。该段试验采用了4个循环。

第1，2，3，4循环高压压水P—Q曲线分别见图1、图2、图3、图4。

图1　第一循环P—Q曲线

从第1循环P—Q曲线（图1）可以看出，该段曲线为D（冲蚀）型曲线，曲线凸向P轴，试段岩体在7.75 MPa压力前透水微弱，渗流量最大仅为0.35 L/min。当压力达到7.75 MPa时，曲线出现明显的拐点，表明7.75 MPa压力为本段岩体产生劈裂的临界压力。当升压力升至8.23 MPa时，高压渗透的结果使岩体裂隙产生冲蚀、扩张，并产生劈裂，使得岩体渗流量迅速升至40.31 L/min。

图2　第二循环P—Q曲线

从第2循环P—Q曲线（图2）看出，该段曲线为D（冲蚀）型曲线。由于试段岩体在第1循环破裂后产生的变形未能完全恢复，在高压水流作用下，岩体中原有裂隙继续产生新的扩张、并稍有延伸，故其第2循环升压阶段的流量均大于第一循环岩体劈裂前相同压力阶段的流量。

图3　第3循环P—Q曲线

由第3循环、第4循环的P—Q曲线（图3、图4）能够看出，曲线为D（冲蚀）型曲线和C（扩张）型曲线，经过第1，2两个循环的高压水流的冲蚀作用，岩体破裂后产生的变形虽未能完全恢复，但基本不再继续扩张、延伸，两循环升压曲线与第2循环升压曲线较接近，相同压力阶段的流量多略大于或接近第2循环时相同压力的流量，为1.48～2.21倍，7 MPa、8.4 MPa压力时为 0.96倍～0.99倍。从第2循环、第3循环、第4循环的P—Q曲线还明显显示，5.68 MPa、5.58 MPa和5.55 MPa压力时即达到临界压力，在8.4 MPa的压力下，流量分别增大至41.90 L/min、40.62 L/min、40.40 L/min。由此表明，裂隙岩体存在着一定的时间效应。也就是说，在高压水流的持续作用下，裂隙岩体的变形在开始时会持续增大，随着时间的推移变形逐渐达到稳定，岩体产生劈裂的临界压力也会进一步降低，从第1循环至第4循环岩体临界压力变化数值依次为7.75 MPa、5.68 MPa、5.58 MPa、5.55 MPa。岩体的稳定临界压力为5.55～5.68 MPa。

由第1循环P—Q曲线图可以看出，在降压测试过程中，与升压阶段相同压力下的流量相比较各相应压力下的流量变化，升压阶段7.75 MPa以前流量均甚小，同级压力降压流量一般为升压流量的16～93倍。即降压至7 MPa时，流量为29.62 L/min，为同级升压流量的93倍；降压至5 MPa时，流量为10.52 L/min，为同级升压流量的45倍；降压至3 MPa时，流量为3.63 L/min，为同级升压流量的16倍。压水试验结果显示本循环降压时各压力阶段的流量与升压阶段相同压力下的微量渗漏有着质的变化。

从第2循环、第3循环、第4循环P—Q曲线图还可以看出，降压阶段各级压力的流量与升压阶段同级压力的流量相比，变化不大。除5 MPa压力时降压流量有所增加，为升压流量的1.7～3倍外，其余各级降压流量多略微减少。说明裂隙岩体在高压水流的持续作用下，存在着一定的时间效应，并随着时间的推移变形逐渐达到稳定。其中第2循环降压至3 MPa以下压力时，其渗流量小于升压阶段流量，经分析，可能是在压力急剧下降过程中，裂隙被瞬间充填所致。

4.2试验成果汇总

输水隧洞2号高压岔管ZK181钻孔高压压水试验成果表明：

高压岔管部位完整～较完整岩体劈裂后最大试验压力下的透水率与岩体RQD、节理发育程度、岩体完整性系数基本存在如下关系：

1）岩体透水率q′与RQD关系。RQD值越大，q′值越小，但第三、六两段除外。

2）岩体透水率q′与岩体完整性系数Kv的关系。Kv值越大，q′值越小，但第二段除外。

3）岩体透水率q′与节理倾角及结构面性状的关系。岩体透水率q′与节理倾角及张开宽度关系比较大。缓倾角节理多呈闭合状态，透水率一般较小。如第一、二试段岩体透水率仅为0.0028 l/（min. m.m）和0.0035 l/（min.m.m）；陡倾角节理多微张，岩体透水率一般相对较大，如第四、五、六试段岩体透水率为 0.0064 l/（min.m.m）、0.0099 l/（min. m.m）、0.0142 l/（min.m.m）。

4）岩体透水率q′与深度的关系。试验深度范围内，岩体的透水率q′随着深度的增加而减小。

5）最大主应力方向和节理走向夹角与岩体透水率q′的关系。岩体的透水率q′随着夹角的增大而减小。

5　结论及建议

1）据高压岔管部位完整～较完整岩体单循环高压压水试验成果：岩体临界压力为7.26～7.82 MPa。经多循环高压压水试验成果，临界压力明显下降，其稳定临界压力为5.55～5.68 MPa。最大试验压力下岩体透水率变化不大，一般为0.002 8～0.009 9 l/（min.m.m），最大为 0.014 2 l/（min.m. m），为微～弱透水岩体，但岩体渗流量较大，一般流量达12.3～41.9 L/min，最大可达58.79 L/min。

2）断层破碎带岩体试验过程中没有出现临界压力。虽然最大试验压力下岩体透水率仅约0.01 l/（min.m.m），但岩体在小压力作用时其渗流量就较大，且随着压力的增大渗流量逐渐增大，最大试验压力时的渗流量达41.29～45.39 L/min。

3）高压岔管部位正常工况下工作水头为512.96m。根据高压压水试验成果：完整～较完整岩体稳定临界压力略大于高压岔管正常工况下的工作水头。但应考虑机组维修、甩负荷、单机运行等非正常工况条件下工作水头的变化。断层破碎带岩体虽然没有出现临界压力，但渗流量较大。鉴于高压岔管部位围岩在最大试验压力时的渗透流量较大，建议对该部位采取工程处理措施。

［中图分类号］TV672

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）02－0041－04

［收稿日期］#2015-03-20