一种压水装置在非洲某水电站勘察中的应用

何险高 赵志伟 逯彦虎 汪 凌

(江苏省地质工程勘察院，江苏 南京 211102)

0 引言

近年，随着中国“一带一路”战略的逐步推进，越来越多的大型国企，走向了世界的舞台，基础建设项目越来越多，对各种项目工程勘察的要求越来越高。在水利水电工程项目的勘察过程中，坝基岩体的渗透性是坝基施工、坝基防渗的重要参数，如何通过现场压水试验，模拟施工、运行工况下，测出各岩层渗透系数分布特征及规律是坝基勘察的重点及难点。

前人在国内很多项目上也曾多次对该技术进行了总结归纳，例如钻孔压水试验综合测试仪的研制与推广应用[2]，钻孔压水试验在工程勘察中的应用[3]，其工作原理大体相同，但因为设备仪器、人为操作及地质条件的不同，实际应用中的成果差别较大。本文介绍了已申请实用新型专利的一种测定岩体渗透系数的压水装置在非洲某水电站勘察中的应用，并根据试验结果分析总结出一套较成熟的经验。

1 工程概况

非洲某水电站位于多哥、贝宁两国界河莫诺(Mono)河上，莫诺河自上而下规划有三个梯级，该水电站为莫诺(Mono)河水电规划的最后一级电站，距离已建龙头电站南贝托(Nangbeto)水电站坝址约97 km，坝址位于Adjarala瀑布上游处，右岸位于多哥境内，距离多哥首都洛美(Lome)约150 km；左岸位于贝宁境内，距离贝宁最大城市科特努(Cotonou)约135 km。

该水电站水库正常蓄水位80.0 m，总库容6.3×108m3，装机容量147 MW(3×49 MW)，多年平均发电量约4.610×108kW·h，属大(2)型水电站。水电站枢纽建筑物主要由拦河大坝+坝后地面厂房组成。拦河大坝由碾压混凝土重力坝(1 050 m)+右岸黏土心墙坝(1 430 m)+右岸垭口土石副坝(1 300 m)组成，坝轴线总长约3 780 m，其中碾压混凝土重力坝及黏土心墙坝坝顶高程82.5 m，最大坝高约50 m；右岸垭口土石副坝坝顶高程82.0 m，最大坝高约5 m。

2 一种测定岩体渗透系数设备简介

该测定系统包括两个部分：一是止水装置部分，另一个是压水量测部分。

2.1 止水装置

止水装置包括压水桶、高压细水管、橡胶塞，橡胶塞中间设有通水管，橡胶塞侧面设有进水口连通橡胶塞与通水管之间，高压细水管连接压水桶与橡胶塞。根据压水段直径的不同，选择不同规格的橡胶塞；根据不同孔深可能承受的压力值不同，选择不同耐压强度的橡胶塞。该止水装置另附带有高压管、压水泵等相关设备。常用压水试验橡胶塞规格见表1。

表1 常用压水试验橡胶塞性能参数

2.2 量测装置

上部压水量测装置(如图1所示)包括空气室、进水水管、高压水管和排水水管。进水水管与排水水管连接钻机水泵(或专配水泵)，进水水管连接空气室，空气室另一端通过管道连接高压水管，管道上设有水压表，排水水管上设有控制阀。

3 测试方法

3.1 测试原理

其中，q为试验段透水率，Lu；L为试验段长度，m；Q3为第三阶段的计算流量，L/cm3；P3为第三阶段的总试验压力，MPa。

其中P3=Pp+Pz-Ps。

其中，Pp为压力表的读数压力，MPa；Pz为压力表到压力面的水压力，MPa；Ps为管道压力损失,MPa。

计算出来的透水率保留2位有效数字。透水率小于0.10 Lu时记为零。

根据每段试验成果，绘制P—Q曲线，通过曲线类型，判断岩体裂隙类型。

计算出透水率，从而评价岩体渗透性，为坝基防渗处理方案提供可靠依据。

3.2 操作步骤

1)钻孔要求：钻孔口径不小于75 mm、不大于130 mm，可根据孔径不同，选择不同型号的止水塞与之相对应。钻孔孔壁要相对稳定，没有掉块、塌孔现象，压水钻孔一般不得使用泥浆、植物胶等护壁材料钻进，以防堵塞岩体裂隙，影响压水试验成果。

2)水泵要求：可以用钻机自带水泵，也可以单独配水泵，所有连接的水管应能承受不小于1 MPa的压力。

3)所有与量测装置活动连接部位，均需要用“生胶带”缠绕，以达到止水效果。

4)量测开始时，先将止水塞与钻杆连接，将止水塞底部下到待测试段顶部位置，例如要测20.0 m～25.0 m透水率，则将塞子底部下到20.0 m位置。

5)到指定位置后，通过手压泵向止水塞中注水，使止水塞膨胀，注水压力不少于5 MPa，或者手工无法再加压为止。

6)连接量测部分到水泵上，先试压，向孔内注一定水后，观测孔内水位变化，如果水位不变，则说明止水效果良好，否则则说明有绕渗现象，需要对止水塞进行微调，再重复上述步骤，直到孔内水位不变。

7)正式压水开始，通过调节出水阀，来达到改变水压的目的，宜按照0.3 MPa,0.6 MPa,1 MPa,0.6 MPa，0.3 MPa顺序加压，也可以根据实际的情况调整压力。每级压力持续5 min，通过水表记录每分钟的流量，取平均值作为该压力下的实际流量。

8)根据压水试验数据，整理压水试验成果，绘制P—Q曲线，计算岩体透水率，评价岩体透水性。

4 数据分析和解释

4.1 地下水类型

坝址区地下水类型主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水，孔隙水主要赋存于第四系松散地层中，接受大气降水及地表水补给，向地表沟谷及地下基岩裂隙等排泄；裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙、构造裂隙及断层破碎带中，接受大气降水和地表水补给，向河床、沟谷等排泄。

4.2 地下水位

坝址区莫诺河河水位高程约37 m，根据勘察期间地下水位观测成果，左岸稳定地下水位高程最高约为65.8 m，地下水位坡降约5.2%；右岸稳定地下水位高程最高约为63.8 m，地下水位坡降约1.7%。根据两岸地下水位分布特征可知，两岸地下水位坡降较小，莫诺河(Mono)为坝址区的最低排泄基准面，属两岸地下水补给河水类型。

4.3 岩体渗透性

本次勘察在坝址区岩体中共完成了压水试验189段，试验段岩体多为弱～微风化花岗岩、花岗片麻岩。选取一典型钻孔，钻孔压水试验成果见表2。

表2 坝址区钻孔压水试验成果表

根据试验成果，绘制P—Q曲线，见图2。

根据左岸、河床及右岸钻孔压水试验成果，绘制了左岸、河床及右岸岩体透水率与钻孔深度变化关系图(见图3)。

5 结语

采用这种测定岩体渗透系数的压水装置，在钻孔中进行压水试验，可以获得岩体透水率较可靠的原始资料，并通过整理分析，得出坝址区岩体透水率分布情况，为大坝帷幕灌浆提供依据。在实际操作中，由于岩体破碎程度不同、施工工艺问题、供水设备水压不稳、钻杆止水效果不佳、岩粉堵塞裂隙等不利因素，对成果的完美性有所影响，但通过大量的工程实践与研究，也积累了丰富的类似作业经验。随着该压水装置应用技术的推广应用，必然对我国“一带一路”工程项目建设起到积极的推动作用。