二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室高壓壓水試驗(yàn)及圍巖抗?jié)B性評價

唐建昌，甘東科，郭啟良

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072；2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085）

二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室高壓壓水試驗(yàn)及圍巖抗?jié)B性評價

唐建昌1，甘東科1，郭啟良2

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072；2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085）

對二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行了高壓壓水試驗(yàn)。試驗(yàn)成果顯示：測段巖體在5 MPa高水壓壓力作用下透水率絕大部分在0.26～0.98 Lu之間，小于1.0 Lu；裂隙巖體水力劈裂壓力值在10.5～12.0 MPa之間，對高水頭壓力具有較好的承載性。試驗(yàn)結(jié)果表明：圍巖整體抗?jié)B性能較好，但對于局部出現(xiàn)的軟弱結(jié)構(gòu)面需進(jìn)行灌漿處理。試驗(yàn)結(jié)果可為氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)。

二瓦槽水電站；氣墊式調(diào)壓室；高壓壓水試驗(yàn)；圍巖抗?jié)B性

0 前 言

氣墊式調(diào)壓室是利用氣室（充滿水和壓縮空氣的封閉式腔體）內(nèi)的壓縮空氣（即“氣墊”）抑制室內(nèi)水位高度和水位波動幅值的一種新型調(diào)壓室。由于可省去大部分至引水隧洞及調(diào)壓室的上山公路和施工支洞，故在保護(hù)引水發(fā)電系統(tǒng)周邊生態(tài)環(huán)境和直接經(jīng)濟(jì)效益方面較常規(guī)調(diào)壓室有較大優(yōu)勢，在我國水電工程建設(shè)中具有十分廣闊的推廣應(yīng)用前景［1-11］。

巖體滲透性是確定氣墊式調(diào)壓室圍巖漏水、漏氣量的重要指標(biāo)，是選擇調(diào)壓室防滲型式的主要依據(jù)。當(dāng)圍巖漏水、漏氣量較大時，將直接增加運(yùn)行費(fèi)用，甚至影響調(diào)壓室的正常運(yùn)行。氣墊式調(diào)壓室主要有3種防滲型式：當(dāng)圍巖透水率極低時，可采用圍巖閉氣；當(dāng)圍巖透水率較低時，可采用水幕閉氣；當(dāng)圍巖透水率較高時，可采用罩式閉氣［1-11］。

二瓦槽水電站系大渡河支流革什扎河的第二級電站，引水隧洞長約11.3 km，引用流量33 m3／s，利用水頭309 m，裝機(jī)容量90 MW，為典型的“高水頭、小流量、長引水”的引水式電站，擬推薦采用氣墊式調(diào)壓室，氣室內(nèi)最大氣體壓力3.73 MPa。為了解圍巖抗?jié)B性，特別是在高水頭壓力作用下的巖體抗?jié)B性，為設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)，對本氣墊式調(diào)壓室開展了高壓壓水試驗(yàn)、水力劈裂試驗(yàn)、定水頭壓水試驗(yàn)和常規(guī)壓水試驗(yàn)。

1 工程區(qū)地質(zhì)概況

初擬氣墊式調(diào)壓室布置在革什扎河左岸雄厚山體內(nèi)，豎向埋深約400～490 m，側(cè)向埋深約450 m。河谷呈典型“V”型谷，河床谷底至分水嶺高差約2 000 m，兩岸邊坡高陡，坡度45°～75°。山坡基巖多裸露，邊坡底部有少量崩坡積覆蓋，厚度小于10 m。地層巖性為泥盆系危關(guān)群一組厚層塊狀石英巖夾少量二云片巖，巖石堅(jiān)硬。場址區(qū)無斷裂發(fā)育，主要結(jié)構(gòu)面為小斷層、擠壓錯動帶和節(jié)理裂隙，總體不發(fā)育。小斷層、擠壓錯動帶破碎帶寬一般1～3 cm，擠壓較緊密。圍巖類別以Ⅲ類為主，Ⅱ類次之。

地下水分為基巖裂隙水和松散堆積層孔隙潛水兩大類型。基巖裂隙水主要賦存在裂隙密集帶中，受大氣降水和冰雪融水補(bǔ)給，向河谷排泄。勘探平洞內(nèi)地下水不發(fā)育，以滲水、滴水為主。ZK04鉆孔（勘探平洞500 m深度處洞底）在鉆進(jìn)至孔深26.80 m處，出現(xiàn)5.50 m高承壓水，后成間歇性噴出，推測為擠壓帶、裂隙密集帶囊狀承壓水。

2 現(xiàn)場壓水試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

壓水測試系統(tǒng)如圖1所示，分為井上和井下兩部分。井上部分由水泵、壓力表、流量計(jì)等組成。高壓水泵最大壓力25 MPa，最大流量40 L／min。智能渦輪流量計(jì)安裝在出水口，數(shù)字顯示壓水過程中的累積流量和瞬時流量。井下部分由鉆桿，高壓膠管，上、下栓塞組成。栓塞每只長度為1.0 m，用橡膠特制，可承受30.0 MPa壓力，兩栓塞之間用花管連接。

圖1 壓水測試系統(tǒng)

2.2 測試鉆孔布置

壓水測試鉆孔布置于氣墊式調(diào)壓室勘探平洞500～600 m深度內(nèi)（見圖2），其同時進(jìn)行水壓致裂法三維地應(yīng)力測量。6個鉆孔分為兩組，相距約100 m。上游側(cè)3個鉆孔呈互相垂直布置，ZK01為洞底豎直孔，ZK02和ZK03為洞壁水平孔；下游側(cè)3個鉆孔也同樣呈互相垂直布置，ZK04為洞底豎直孔，ZK05和ZK06為洞壁水平孔。孔深28.6～30.7 m。

圖2 測試鉆孔布置

2.3 鉆孔巖芯

上游側(cè)ZK01、ZK02、ZK03鉆孔巖芯完整性相對下游側(cè)較好，節(jié)理裂隙少發(fā)育。各鉆孔巖芯完整性分述如下：

ZK01鉆孔巖芯完整性較差，RQD為50%，其中柱狀巖芯（10～30 cm）約占總長的50%，短柱狀（＜10 cm）約占40%，碎塊約占10%。

ZK02鉆孔巖芯完整性好，RQD為90%，其中長柱狀巖芯（30～60 cm）約占總長的60%，柱狀約占30%，短柱狀、碎塊約占10%。

ZK03鉆孔巖芯完整性好，RQD為90%，其中長柱狀巖芯約占總長的70%，柱狀約占20%，短柱狀、碎塊約占10%。

ZK04鉆孔巖芯完整性較差，RQD為50%，其中柱狀巖芯約占總長的50%，短柱狀約占30%，碎塊狀約占20%。

ZK05鉆孔巖芯完整性較好，RQD為70%，其中長柱狀、柱狀巖芯（10～60 cm）約占總長的70%，短柱狀約占25%，碎塊狀約占5%。

ZK06鉆孔巖芯完整性較好，RQD為80%，其中長柱狀、柱狀巖芯（10～60 cm）約占總長的80%，短柱狀約占15%，碎塊狀約占5%。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 高壓壓水試驗(yàn)結(jié)果

在每個鉆孔內(nèi)選擇2個測段進(jìn)行高壓壓水試驗(yàn)，測段長度均為2 m，5個壓力段分別為1 MPa、3 MPa、5 MPa、3 MPa、1 MPa。氣墊式調(diào)壓室工作壓力一般較高，傳統(tǒng)的常規(guī)壓水試驗(yàn)壓力偏低（0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa），難以反映在真實(shí)水頭壓力下的滲透特性。高壓作用下巖體中的微裂隙或節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面可能張開或擴(kuò)張，從而改變巖體的原始透水性，故高壓壓水試驗(yàn)才能得到巖體透水性的可靠資料。

由測試結(jié)果（見表1）可知：12個測段在5 MPa水壓壓力作用下巖體漏水量均不大，除ZK05、ZK06孔內(nèi)2個測段透水率分別為1.95 Lu、1.54 Lu外，其它10個測段透水率在0.26～0.98 Lu之間，小于1.0 Lu。但在測試過程中，ZK04孔深20 m以下高壓壓水無法起壓，透水率較大，該段與囊狀承壓水出現(xiàn)位置基本一致；上游側(cè)ZK01、ZK02、ZK03內(nèi)測段巖體透水率相對下游側(cè)鉆孔略好，也與上游側(cè)鉆孔巖體相對較完整，抗?jié)B性較好的實(shí)際條件一致。由于各測段透水率均較小，巖體滲透的各向異性不太明顯。

根據(jù)各測段的壓力-流量（P-Q）曲線：下游側(cè)鉆孔所有測段及上游側(cè)ZK01鉆孔20-22 m測段的升壓曲線凸向Q軸，降壓曲線與升壓曲線不重合呈逆時針環(huán)狀，為填充型曲線（見圖3）；上游側(cè)其余測段的升壓曲線凸向P軸，降壓曲線與升壓曲線不重合呈順時針環(huán)狀，為沖蝕型曲線（見圖4）。

表1 各測段高壓壓水試驗(yàn)結(jié)果（透水率／Lu）

3.2 水力劈裂試驗(yàn)結(jié)果

在鉆孔ZK01和ZK04內(nèi)分別選擇2個測段進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)，測段長度均為2 m。測段都選取在裂隙巖體上，以了解裂隙巖體在高水頭作用下的承載能力。

各測段均從6 MPa加壓，試驗(yàn)曲線見圖5～8。如圖所示：ZK01內(nèi)測段按照1 MPa遞增升壓至7～11 MPa時候，巖體流量較小，增長均勻緩慢，當(dāng)壓力增至12～12.5 MPa時，曲線產(chǎn)生突變，流量忽然增大，繼續(xù)增壓至14 MPa時漏水量為8.4～14 L／min，表明裂隙已完全張開，最終確定該兩測段劈裂壓力值為12～12.5 MPa；ZK04內(nèi)測段曲線與ZK01內(nèi)測段類似，當(dāng)壓力增至10～10.7 MPa時，曲線產(chǎn)生突變，流量忽然增大，最終確定該兩測段劈裂壓力值為10～10.7 MPa，較ZK01內(nèi)測段劈裂壓力值略低。

圖3 ZK01鉆孔20-22 m測段P-Q曲線（填充型）

圖4 ZK01鉆孔16-18 m測段P-Q曲線（沖蝕型）

圖5 ZK01孔20-22 m測段水力劈裂試驗(yàn)曲線

圖6 ZK01孔22-24 m測段水力劈裂試驗(yàn)曲線

圖7 ZK04孔16～18 m測段水力劈裂試驗(yàn)曲線

圖8 ZK04孔20-22 m測段水力劈裂試驗(yàn)曲線

3.3 定水頭壓水試驗(yàn)結(jié)果

在鉆孔ZK01和ZK04內(nèi)分別選擇1個測段進(jìn)行定水頭壓水試驗(yàn)，測段長度均為2 m，以測試圍巖在工程運(yùn)營后在實(shí)際水頭壓力作用下的抗?jié)B透能力。根據(jù)孔口內(nèi)測段高程和水電站設(shè)計(jì)水位高度，以及綜合考慮承壓水等因素后，確定壓力水頭為5 MPa。試驗(yàn)過程中，壓力維持0.5 h，每2 min采集一次流量。

試驗(yàn)曲線如圖9、10所示。測試結(jié)果顯示，在定水頭壓力為5 MPa作用下，巖體的流量都較為穩(wěn)定，ZK01內(nèi)測段巖體最大透水率為0.4 Lu，ZK04內(nèi)測段最大透水率0.65 Lu。

圖9 ZK01孔16～18 m測段定水頭壓水試驗(yàn)曲線

圖10 ZK06孔16～18 m測段定水頭壓水試驗(yàn)曲線

3.4 常規(guī)壓水試驗(yàn)結(jié)果

在每個鉆孔內(nèi)選擇2個測段進(jìn)行常規(guī)壓水試驗(yàn)，測段長度均為2 m，3個壓力段分別為0.3 MPa、0.6 MPa、1 MPa。

由測試結(jié)果（見表2）可知：12個測段在壓力為1 MPa的常規(guī)壓水壓力作用下，巖體透水率在0.05～0.55 Lu之間，均小于1.0 Lu，基本不透水。

表2 各測段常規(guī)壓水試驗(yàn)結(jié)果（透水率／Lu）

4 氣墊式調(diào)壓室圍巖抗?jié)B性評價

氣墊式調(diào)壓室布置在雄厚山體內(nèi)，埋深較大，地下水不發(fā)育，主要賦存于基巖裂隙中。圍巖地層巖性為泥盆系危關(guān)群一組厚層塊狀石英巖夾少量二云片巖，巖石堅(jiān)硬。結(jié)構(gòu)面以小斷層、擠壓錯動帶和節(jié)理裂隙為主，總體不發(fā)育。巖體較完整，圍巖類別以Ⅲ類為主，Ⅱ類次之。

壓水試驗(yàn)結(jié)果顯示：在5 MPa高水壓壓力作用下巖體漏水量均不大，透水率一般在0.26～0.98 Lu之間，僅2測段大于1.0 Lu，分別為1.54 Lu、1.95 Lu，巖體滲透性的各向異性不太明顯。測段附近裂隙巖體水力劈裂壓力值在10.5～12.0 MPa之間，對高水頭壓力具有較好的承載性。

綜合基本地質(zhì)條件和壓水試驗(yàn)結(jié)果，氣墊式調(diào)壓室圍巖整體抗?jié)B性能較好，透水率一般小于1.0 Lu。但對于局部出現(xiàn)的小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙帶可能成為滲透通道，需對其進(jìn)行灌漿處理，以達(dá)到閉水、閉氣效果。

5 結(jié) 論

（1）對二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行了12段高壓壓水試驗(yàn)、4段水力劈裂試驗(yàn)、2段定水頭壓水試驗(yàn)、12段常規(guī)壓水試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明：測段巖體在5 MPa高水壓壓力作用下巖土透水率絕大部分在0.26～0.98 Lu之間，僅2測段大于1.0 Lu，巖體滲透性的各向異性不太明顯；裂隙巖體水力劈裂壓力值在10.5～12.0 MPa之間，對高水頭壓力具有較好的承載性；在5 MPa定水頭壓力作用下，巖體透水率在0.4～0.65 Lu之間；在1 MPa常規(guī)壓水壓力作用下，巖體透水率在0.05～0.55 Lu之間。

（3）綜合基本地質(zhì)條件和壓水試驗(yàn)結(jié)果，二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室圍巖整體抗?jié)B性能較好，但對于局部出現(xiàn)的軟弱結(jié)構(gòu)面需進(jìn)行灌漿處理。

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表2 爛田灣滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算成果

表2計(jì)算成果表明：

①在天然狀況下，K＝1．521～2．979，暴雨?duì)顩r下，K＝1.358～2.276，古滑坡體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

②在水庫蓄水（正常蓄水位1 130.00 m）狀況下，K＝1.319～2.834，古滑坡體穩(wěn)定。

③在地震狀況下，K＝1.192～1.408，古滑坡體穩(wěn)定。

4 滑坡體穩(wěn)定性評價

爛田灣古滑坡體形成于晚更新世，后緣及上下游側(cè)被后期的崩坡積物覆蓋，前緣被Ⅱ級階地等沖洪積物覆蓋，Ⅱ級階地保存完好，階面平坦，未見新的變形跡象，古滑坡體最低高程堆積于大渡河枯期河水位以下30 m，整體穩(wěn)定。在天然、暴雨、蓄水、地震狀況下，安全系數(shù)介于1.192～2.979，滑坡體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)束語

（1）爛田灣古滑坡體位于大渡河大崗山水庫庫尾左岸，距大崗水電站壩址27.5 km。滑坡體前緣高程約1 060 m，后緣高程1 390 m，1 270～1 340 m高程為滑坡體平臺，體積約4 000萬m3。滑坡體主要由含粉土角礫層組成，厚約120～200 m，其中局部分布有含礫粉土層透鏡體，厚約0.7 m。滑坡體表層有塊石分布，厚度一般10～20 m。研究表明，爛田灣滑坡是在長期的重力作用下斜坡變形、巖體卸荷拉裂，在地震誘發(fā)時產(chǎn)生滑移—拉裂型破壞而形成。

（2）爛田灣古滑坡體未見新的變形跡象，古滑坡體最低高程堆積于大渡河枯期河水位以下30 m，整體穩(wěn)定。穩(wěn)定性分析表明，在天然、暴雨、蓄水、地震狀況下，安全系數(shù)介于1.192～2.979，滑坡體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

［1]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［2]彭士標(biāo)，等.水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2011

TV221.2，TV732.56

B

1003-9805（2015）04-0088-05

2015-06-29

唐建昌（1958-），男，江西隆南人，高級工程師，從事水電工程地質(zhì)勘察工作。