CCS水电站压力管道下平段水力劈裂分析及处理

姚阳 娄国川 魏斌

摘 要：为了解CCS水电站压力管道下平段岩体在高压水流作用下的透水性变化情况、变形方式以及岩体裂隙对高压水流长时间冲蚀作用的抵御能力和岩体对高压灌浆的适应性，在压力管道下平段靠近钢衬段位置进行了水力劈裂试验。结果表明：工程运行过程中，在6.3 MPa的水压力作用下，隧洞具有较好的稳定性。但运行时混凝土衬砌段在高内水压力作用下，逐渐贯穿开裂成为透水衬砌，内水压力将作用在周围岩体上，必须通过高压固结灌浆进一步提高岩体质量，围岩灌浆压力至少要达到7 MPa，使其在长期高水头作用下不产生大的扩张变形，避免造成严重后果。为了提高岩体质量，减少内水外渗，在压力管道下平段采用固结灌浆，下平段混凝土衬砌末端设置帷幕灌浆圈，在压力管道混凝土衬砌及钢衬砌段均设计了回填灌浆。工程运行期监测成果表明，压力管道整体运行正常，满足设计要求。

关键词：高水头;压力管道;围岩;水力劈裂;CCS水电站

中图分类号：TV67;TV221.2 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.024

Abstract： In order to understand the permeability change and deformation mode of rockmass under high water pressure， the resistance of rockmass fissure to longterm erosion of high water pressure and the adaptability of the rockmass to high pressure grouting of the lower horizontal section of penstock in CCS Hydropower Station， the hydraulic fracturing test was performed at the lower section of penstock near the steel lining section. Based on the test results， the tunnel will have better stability under the water internal pressure of 6.3 MPa during operation period. However， the concrete lining section gradually penetrates and cracks into permeable lining under the high internal water pressure. The internal water pressure will act on the surrounding rockmass. Highpressure consolidation grouting must be used to further improve the rockmass， and the grouting pressure should reach at least 7 MPa， so that it will not produce large expansion deformation under the longterm high water pressure， and avoid serious consequences. In order to improve the quality of rockmass and reduce internal water seepage， consolidation grouting was used in the lower horizontal section of penstock， curtain grouting ring was set at the end of the concrete lining and backfill grouting was designed in both the concrete lining and steel lining sections. The monitoring results show that the penstock is operating normally during the operation period and has met the design requirements.

Key words： high water pressure; penstock; surrounding rock; hydraulic fracturing; CCS Hydropower Station

水力劈裂是指因水壓力抬高而在岩体或土体中引起裂缝及其扩展的一种物理现象[1-2]。在水利水电工程地质勘测中，应了解工程区岩体在设计水头作用下的物理力学行为。特别是一些高水头电站，当内水压力达到一定数值时水工隧洞的钢筋混凝土衬砌便产生贯穿性开裂，成为透水衬砌，裂隙岩体在高水头压力作用下是否张开，其承载高水头压力的能力如何，直接关系到围岩的稳定性[3-4]。因此，高水头电站水工压力隧洞若采用钢筋混凝土衬砌，围岩在高内水压力下是否会产生水力劈裂而破坏就成为设计人员关心的重要问题。为了解CCS水电站高水头压力管道下平段岩体的透水性、变形方式以及对高压灌浆的适应性，在压力管道下平段靠近钢衬段位置进行了水力劈裂试验，并提出了灌浆处理措施，为压力管道的设计、施工及运行提供了可靠的依据。

1 工程概况

CCS水电站2条压力管道（编号分别为TP1、TP2）均由进水塔、上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段和岔支管段组成。2条压力管道平面距离为16.2～80.0 m，最大内水压力水头约630 m。其中1#压力管道主管轴线长度为1 782.630 m，其中上平段长703.841 m，上弯段长47.120 m，竖井段长478.550 m，下弯段长46.070 m，下平段长507.049 m，下平段后部钢管衬砌段长326.145 m。2#压力管道主管轴线长度为1 856.340 m，其中上平段长703.841 m，上弯段长47.120 m，竖井段长476.195 m，下弯段长46.070 m，下平段长583.114 m，下平段后部钢管衬砌段长406.145 m。压力管道钢筋混凝土衬砌段内径均为5.8 m、厚0.6 m，钢衬段主管钢板厚72 mm[5-8]。

2 基本地质条件

压力管道下平段开挖高程611～630 m，出露的地层岩性为青灰色、紫红色Misahualli地层的火山凝灰岩和2条肉红色Misahualli地层流纹岩条带。压力管道下平段开挖共揭露了14条断层和2条流纹岩带，具体描述见表1。地下水以基岩裂隙水为主，岩体主要为弱透水，其中断层带为中等-强透水层。下平段围岩多为Ⅲ类围岩，个别洞段为Ⅱ类围岩，无大的断层发育，整体稳定性较好。仅在1#洞下平段桩号1+100处受f33、f30断层影响出现集中性涌水，围岩稳定性差，属Ⅳ类围岩。在压力管道上、下平段进行了地应力测试，结果显示：压力管道下平段最大主应力为13.76～14.92 MPa，中间主应力为10.94～11.46 MPa，最小主应力为6.30 MPa。最大水平主应力优势方向为NW69°～NW83°，与管道轴线方向小角度相交[9]。

3 围岩水力劈裂试验

3.1 试验方法及原理

水力劈裂试验就是逐级升高试验段的压力，使原生裂隙由闭合逐渐转为张开状态的试验过程，其测试方法是选择在裂隙岩体上逐级增压测试[10]。

裂隙岩体的张开压力與节理裂隙的空间展布及原地应力直接相关，水力劈裂试验一般选择在含有裂隙的岩体中进行，其物理基础是裂隙岩体的渗流理论，同时裂隙岩体的渗流行为服从达西定律。在试验过程中，先向测试段施加较低的压力，得到流量的稳定值后，再使压力升高一级，并重复上一过程，得到一系列稳定压力下的稳定流量值，也就得到了测试段压力与流量的关系曲线。开始阶段，压力与流量呈线性关系，裂隙未张开，渗流速率主要受控于压力水头并遵循达西定律。随着压力逐步增大，当裂隙面由闭合状态转变为张开状态时，流量突然增大，此时裂隙面法线方向的有效应力与施加的水压力平衡，流量突变点对应的压力称为裂隙岩体的张开压力，即水力劈裂压力，它直接反映了测试段处岩体承载压力水头作用的能力。

3.2 试验位置及成果

在2条压力管道下平段靠近钢衬段附近的Ⅲ类围岩洞段各选取一个位置进行试验，其中测孔PSK01位于1#压力管道下平段桩号0+917.0处，孔深50 m，孔径75 mm，垂直向下，孔内满水，且有较强的承压水;测孔PSK02位于2#压力管道下平段桩号0+930.0处，孔深50 m，孔径75 mm，垂直向下。根据钻孔岩芯编录，钻孔岩层较为完整，主要为微风化的凝灰岩，岩芯呈长柱状，局部发育少量的裂隙，试验位置示意见图1。

对1#压力管道下平段PSK01测点进行了2段水力劈裂试验，段长均为2 m。为了解裂隙岩体对高水头作用下的承载能力，试验段都选取在裂隙较为发育的岩体段，试验结果见图2。在PSK01孔的27～29、35～37 m试验段加压从2 MPa开始，逐级升压至7 MPa时漏水流量均很小，当压力增至8 MPa时流量突然增大，从图2可以看出，曲线在压力为7 MPa时出现一个拐点，因此最终确定2个测试段岩体水力劈裂压力均为7 MPa。

对2#压力管道下平段PSK02测点进行了2段水力劈裂试验，2个测试段试验结果见图3。在PSK02孔的7～9 m试验段加压从2 MPa开始，逐级升压至10 MPa时漏水量均很小，当压力增至11 MPa时流量突然增大，从图3可以看出，曲线在压力为10 MPa时出现一个拐点，因此最终确定该测试段岩体的水力劈裂压力为10 MPa;在25～27 m试验段，采用同样的试验方式，当压力增至9 MPa时，流量突然增大，说明该测段岩体的水力劈裂压力为9 MPa。

3.3 成果分析

根据上述试验成果，压力管道下平段围岩的水力劈裂压力为7～10 MPa，其中1#压力管道下平段围岩的劈裂压力约为7 MPa，2#压力管道下平段围岩的劈裂压力为9～10 MPa。岩体具有较好的抗水力劈裂能力，2#压力管道围岩的水力劈裂压力高于1#压力管道围岩的。

考虑到实测过程中测试的岩体没有任何加固支护，所以在隧洞经过加固支护后，实际的抗劈裂能力会更高。由此分析认为，在工程运行过程中，在6.3 MPa的水压力作用下，隧洞将具有较好的稳定性。但运行时混凝土衬砌段在高内水压力作用下，逐渐贯穿开裂成为透水衬砌，内水压力将作用在周围岩体上，这样围岩成为内水压力的主要承担者，必须通过高压固结灌浆进一步提高岩体质量，使其在长期高水头作用下不产生大的扩张变形，避免造成严重后果。下平段围岩劈裂压力最小为7.0 MPa，表明隧洞围岩灌浆压力至少要达到7.0 MPa。

4 灌浆处理

为了提高岩体质量，减少内水外渗，对压力管道岩体进行了灌浆处理。在压力管道下平段采用固结灌浆，下平段混凝土衬砌末端设置帷幕灌浆，在压力管道混凝土衬砌及钢衬砌段均设计了回填灌浆。

（1）固结灌浆。压力管道竖井及下平段采用高压固结灌浆，孔深为6 m，每环孔数11个，灌浆圈排距均为2.5 m，最大灌浆压力为7.0 MPa。

（2）帷幕灌浆。在压力管道下平段混凝土衬砌末端设置帷幕灌浆圈以延长混凝土衬砌段渗水的渗径，降低钢衬砌段外水压力，避免渗水沿着钢衬外侧形成直接渗流通道。帷幕灌浆布置在压力管道混凝土段末端的渐变段上，共设置7排，入岩深度为12 m，每环11孔，分两序孔施工，最大灌浆压力7.0 MPa。

（3）回填灌浆。压力管道下平段混凝土衬砌段和钢衬砌段均进行了回填灌浆。回填灌浆范围为顶拱120°范围，灌浆压力0.3～0.5 MPa。回填灌浆结束标准为5 min之内的灌浆量小于2 L/m。回填灌浆在衬砌混凝土强度达到70%以后进行，回填灌浆结束以后再进行固结灌浆。

5 监测结果

在2条压力管道下平段混凝土衬砌段布置了渗压计和钢筋计等监测仪器，监测渗透水压力和衬砌混凝土钢筋应力的变化情况，渗透水压力监测成果见表2和图4～图5，钢筋计监测成果见图6。

6 结 论

（1）压力管道下平段主要为Misahualli地层的火山凝灰岩，共揭露了14条断层和2条流纹岩带，地下水以基岩裂隙水为主，岩体主要为弱透水层，其中断层带为中等-强透水层，最大内水压力水头约630 m。下平段围岩多为Ⅲ类围岩，个别洞段为Ⅱ类围岩和少量Ⅳ类围岩。

（2）压力管道下平段围岩的水力劈裂压力为7～10 MPa，其中1#压力管道下平段围岩的劈裂压力约为7.0 MPa，2#压力管道下平段围岩的劈裂压力为9.0～10.0 MPa。岩体具有较好的抗水力劈裂能力，2#压力管道围岩的水力劈裂压力高于1#压力管道围岩的。

（3）在工程运行过程中，在内压力为6.3 MPa的水压力作用下，隧洞具有较好的稳定性。但运行时混凝土衬砌段在高内水压力作用下逐渐贯穿开裂成为透水衬砌，内水压力将作用在周围岩体上，必须通过高压固结灌浆进一步提高岩体质量，围岩灌浆压力至少要达到7 MPa，使其在长期高水头作用下不产生大的扩张变形，避免造成严重后果。

（4）为了提高岩体质量，减少内水外渗，在压力管道下平段采用固结灌浆，下平段混凝土衬砌末端设置帷幕灌浆圈，在压力管道混凝土衬砌及钢衬砌段均設计了回填灌浆。工程运行期监测成果表明，压力管道整体运行正常，满足设计要求。

参考文献：

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[2] 盛金昌，赵坚，速宝玉.高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24（7）：1226-1230.

[3] 王兴忠，张恒喜.加蓬大布巴哈水电站引水隧洞水力劈裂试验研究[J].云南水力发电，2010，26（6）：63-66.

[4] 王军玺，李琼，吴伟雄.深埋隧洞开挖过程中突水的水力劈裂研究[J].现代隧道技术，2018，55（1）：164-168.

[5] 王超，涂菊初.CCS水电站压力管道下平段高压压水试验施工[J].云南水力发电，2015，31（6）：71-74.

[6] 张金良，谢遵党，邢建营.CCS水电站若干设计难点研究与突破[J].人民黄河，2019，41（5）：96-105.

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[9] Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.. The Basic Design Report of Coca-Codo Sinclair Hydroelectric Project[R]. Zhengzhou： Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， 2011： 7-15.

[10] 中国地震局地壳应力研究所.厄瓜多尔科卡科多辛克雷水电站地应力测试报告[R].北京：中国地震局地壳应力研究所，2014： 38-42.

【责任编辑 张华岩】