張大龍，李長順，楊宗玲，武立明

（中水東北勘測設計研究有限責任公司地質處，吉林 長春 130021）

荒溝抽水蓄能電站輸水隧洞的高壓壓水試驗

張大龍，李長順，楊宗玲，武立明

（中水東北勘測設計研究有限責任公司地質處，吉林 長春 130021）

為了解荒溝抽水蓄能電站輸水隧洞在高壓水頭作用下的滲透特性及其在高壓滲透狀態(tài)下巖體張開、拉裂的臨界壓力等，以 ZK181 鉆孔第七段第一、第二循環(huán)試驗為例，進行試驗結果分析，為設計部門提供依據(jù)。

輸水隧洞；荒溝抽水蓄能電站；高壓壓水試驗

0引言

高壓壓水試驗是為了解巖體在高壓水頭作用下的滲透特性及其在高壓滲透狀態(tài)下巖體張開、拉裂的臨界壓力等設計參數(shù)，為設計部門提供設計依據(jù)。

工作區(qū)輸水隧洞埋深一般為 60～430 m，高壓岔管岔管部位埋深約 415 m，承受最大內水壓力約7 MPa，此次高壓壓水試驗的最大壓水壓力是按管道內水壓力的 1.2 倍設計的。這種試驗方法在我國大中型抽水蓄能水電站勘察中已被廣泛應用。

1 概述

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內，距蓮花水電站約 45 km。該電站系以三道河右岸的山間洼地作為上水庫，已建的蓮花水庫作為下水庫。電站裝機 1 200 MW,為大型抽水蓄能水電站。其輸水隧洞的高壓岔管型式為“卜”型，分岔角為 60°，岔管內徑由 6.7 m 漸變至 3.9 m，岔管段長度為 25 m，圍巖為華力西晚期白崗花崗巖。

2 試驗設備

2.1 試驗、記錄主要設備

1）高壓水泵：采用宜昌黑旋風工程機械有限公司生產的 3 SNS 高壓水泵，最大壓力可達 10MPa，最大流量為 100 L/m in，電機功率為 18.5 kW。

2）自動記錄儀：由浙江杭鉆機械制造股份有限公司生產的 TS型智能自動記錄儀。最大壓力10 MPa，最大流量為 150 L/m in。

3）抗震壓力表：試驗選用國產壓力表，測量范圍 0～20 MPa，精度 1.5 級。

4）流量計：采用智能渦輪流量計,安裝在出水口,數(shù)字顯示壓水過程中的累積流量和瞬間流量,精度 1 L/m in。

5）栓塞：試驗栓塞采用可承受 30 MPa 壓力的XTF-2型橡膠液壓雙栓塞。

3 高壓壓水試驗主要技術要求

1）壓水試驗程序。壓水試驗工作要求在試驗孔造孔全部結束后進行，壓水試驗采用自下而上的順序進行高壓壓水試驗。

2）試段長度。此次高壓壓水試驗計劃每段長度約為 5 m，嚴禁漏段。

3）試驗壓力及分級。根據(jù) DL/T5208—2005《抽水蓄能電站設計導則》的要求，進行管道內水壓力1.2 倍的專門性壓水試驗，另據(jù)設計提供的岔管內水壓力 7MPa，確定試驗的最大壓力值約為 8.4MPa。試驗劃分為 8 級、12 個壓力階段。

4）加壓及循環(huán)方式、延續(xù)時間。按照試驗工作大綱的要求，對完整巖體采用單循環(huán)，斷層破碎帶等破碎巖體采用4個循環(huán)。

①單循環(huán)加（減）壓：單循環(huán)選用 8個壓力值12 個壓力階段，每級壓力及循環(huán)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 個循環(huán)加（減）壓：第 1 循環(huán)選用 8個壓力值 12 個壓力階段，每級壓力及循環(huán)方式與單循環(huán)加（減）壓相同。第 2，3 循環(huán)選用 5 個壓力值 9 個壓力階段，每級壓力及循環(huán)方式為 1 MPa→3 MPa →5 MPa →7 MPa →8.4 MPa →7 MPa →5 MPa→3 MPa→1 MPa。第 4 循環(huán)選用 8 個壓力值12 個壓力階段，每級壓力及循環(huán)方式為 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。

試驗升壓時，流量穩(wěn)定后每級壓力持續(xù) 5m in；出現(xiàn)臨界壓力后，每級壓力流量穩(wěn)定后持續(xù) 30m in；加至最高壓力時，持續(xù) 30m in；試驗卸壓時，每級壓力流量穩(wěn)定后持續(xù) 5m in。

4 高壓壓水試驗結果

下面以 ZK181 鉆孔第 7 段第 1，第 2 循環(huán)試驗為例，進行試驗結果分析。

該段位于高壓岔管中心線以上 33.85 m 處，見f9斷層破碎帶通過，產狀 N 16.3°W，傾向 SW，傾角77.9°，出露深度 381.23～382.23 m，由碎塊巖及少量碎裂巖組成，該斷層可能延伸至岔管部位，距 1 號高壓岔管中心線約 9m。巖體完整性差，巖芯 RQD平均值為 47%，巖體完整性系數(shù) Kv=0.55。

第 1，第 2 循環(huán)試驗成果詳見表 1，高壓壓水P～Q 曲線見圖 1。

從圖 1（a） 可以看出，此段曲線為 E(填充)型曲線。試段巖體在壓力由 1MPa升至 7MPa的流量逐漸增大，為 3.01～28.73 L/m in，升至 8.4MPa 時流量最大，為 41.29 L/m in。從測試曲線可以看出，升壓過程中，曲線沒有出現(xiàn)明顯的拐點，但在壓力4MPa與 5MPa之間流量變化相對較大，兩者流量相差約7 L/m in，可認為 4 MPa為本段斷層破碎帶產生劈裂的臨界壓力。降壓曲線位于升壓曲線的左側，與升壓階段相同壓力下的流量相比，流量略有減少，同級壓力降壓流量一般為升壓流量的 0.7～0.9 倍，1 MPa時流量降到 0。說明此循環(huán)試段巖體在試驗期間，裂隙發(fā)生了變化，巖體滲透性降低，主要是由于破碎帶內裂隙被部分堵塞造成的。此外，裂隙處于半封閉狀態(tài)，當被水充滿后，流量逐漸減少。

表 1 ZK181 鉆孔第 7 段第 1、第 2 循環(huán)高壓壓水試驗成果匯總表

圖 1 第 7段高壓壓水 P～Q 曲線

從圖 1（b）可以看出，曲線凸向 P 軸，升壓與降壓曲線大體重合或接近，多稍偏在第1循環(huán)的降壓曲線的左側。第 2 循環(huán)為 C(擴張)型曲線。從第1 循環(huán)到第 2 循環(huán) P—Q 曲線類型的變化表明：該試段巖體斷層破碎帶在壓水試驗過程中，隨著時間的延續(xù)，裂隙逐漸被填充后又被逐漸擴張。降壓與升壓的 1 MPa，3 MPa，5 MPa，7 MPa 壓力下流量與其對應壓力的流量相比變化不大，說明斷層巖體經過第 1 循環(huán)的沖蝕、填充、擴張后，裂隙變形基本穩(wěn)定，沒有再繼續(xù)擴張。同樣，曲線沒有出現(xiàn)明顯拐點。

應當指出，雖然此段試驗測試曲線沒有出現(xiàn)明顯拐點，但從歷時試驗曲線可以看出，第 2 循環(huán)的升壓 3 MPa壓力時，流量曲線波動相對劇烈，分析原因可能該壓力時斷層巖體裂隙可能出于沖蝕、擴張的臨界狀態(tài)，由此判斷，此段巖體的臨界壓力大體為 3 MPa。本段巖體雖為斷層破碎，但透水率很小，屬微透水。

5 結果分析

1）ZK181 鉆孔高壓壓水試驗第七段 1～2 循環(huán)成果匯總見表2。

表2 循環(huán)成果

2）第 7 段巖體為斷層破碎帶，巖體臨界壓力不明顯，單循環(huán)臨界壓力約為 4 MPa。多循環(huán)穩(wěn)定臨界壓力約為 3 MPa。

3）臨界壓力后的巖體透水率僅為 0.01 L/(m in. m.m)，但在最大壓力下巖體滲流量較大，一般流量達 40 L/m in 以上。建議斷層部位采取處理措施。

4）由于此次試驗段數(shù)較少，未能完全概括高壓岔管地段存在的各種地質現(xiàn)象，這些地質缺陷在高壓水流作用下的滲透性變化情況，有待進行多次試驗的統(tǒng)計來完善。

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2013-08-09