一種壓水裝置在非洲某水電站勘察中的應用

何險高 趙志偉 逯彥虎 汪 凌

(江蘇省地質工程勘察院，江蘇 南京 211102)

0 引言

近年，隨著中國“一帶一路”戰略的逐步推進，越來越多的大型國企，走向了世界的舞臺，基礎建設項目越來越多，對各種項目工程勘察的要求越來越高。在水利水電工程項目的勘察過程中，壩基巖體的滲透性是壩基施工、壩基防滲的重要參數，如何通過現場壓水試驗，模擬施工、運行工況下，測出各巖層滲透系數分布特征及規律是壩基勘察的重點及難點。

前人在國內很多項目上也曾多次對該技術進行了總結歸納，例如鉆孔壓水試驗綜合測試儀的研制與推廣應用[2]，鉆孔壓水試驗在工程勘察中的應用[3]，其工作原理大體相同，但因為設備儀器、人為操作及地質條件的不同，實際應用中的成果差別較大。本文介紹了已申請實用新型專利的一種測定巖體滲透系數的壓水裝置在非洲某水電站勘察中的應用，并根據試驗結果分析總結出一套較成熟的經驗。

1 工程概況

非洲某水電站位于多哥、貝寧兩國界河莫諾(Mono)河上，莫諾河自上而下規劃有三個梯級，該水電站為莫諾(Mono)河水電規劃的最后一級電站，距離已建龍頭電站南貝托(Nangbeto)水電站壩址約97 km，壩址位于Adjarala瀑布上游處，右岸位于多哥境內，距離多哥首都洛美(Lome)約150 km；左岸位于貝寧境內，距離貝寧最大城市科特努(Cotonou)約135 km。

該水電站水庫正常蓄水位80.0 m，總庫容6.3×108m3，裝機容量147 MW(3×49 MW)，多年平均發電量約4.610×108kW·h，屬大(2)型水電站。水電站樞紐建筑物主要由攔河大壩+壩后地面廠房組成。攔河大壩由碾壓混凝土重力壩(1 050 m)+右岸黏土心墻壩(1 430 m)+右岸埡口土石副壩(1 300 m)組成，壩軸線總長約3 780 m，其中碾壓混凝土重力壩及黏土心墻壩壩頂高程82.5 m，最大壩高約50 m；右岸埡口土石副壩壩頂高程82.0 m，最大壩高約5 m。

2 一種測定巖體滲透系數設備簡介

該測定系統包括兩個部分：一是止水裝置部分，另一個是壓水量測部分。

2.1 止水裝置

止水裝置包括壓水桶、高壓細水管、橡膠塞，橡膠塞中間設有通水管，橡膠塞側面設有進水口連通橡膠塞與通水管之間，高壓細水管連接壓水桶與橡膠塞。根據壓水段直徑的不同，選擇不同規格的橡膠塞；根據不同孔深可能承受的壓力值不同，選擇不同耐壓強度的橡膠塞。該止水裝置另附帶有高壓管、壓水泵等相關設備。常用壓水試驗橡膠塞規格見表1。

表1 常用壓水試驗橡膠塞性能參數

2.2 量測裝置

上部壓水量測裝置(如圖1所示)包括空氣室、進水水管、高壓水管和排水水管。進水水管與排水水管連接鉆機水泵(或專配水泵)，進水水管連接空氣室，空氣室另一端通過管道連接高壓水管，管道上設有水壓表，排水水管上設有控制閥。

3 測試方法

3.1 測試原理

其中，q為試驗段透水率，Lu；L為試驗段長度，m；Q3為第三階段的計算流量，L/cm3；P3為第三階段的總試驗壓力，MPa。

其中P3=Pp+Pz-Ps。

其中，Pp為壓力表的讀數壓力，MPa；Pz為壓力表到壓力面的水壓力，MPa；Ps為管道壓力損失,MPa。

計算出來的透水率保留2位有效數字。透水率小于0.10 Lu時記為零。

根據每段試驗成果，繪制P—Q曲線，通過曲線類型，判斷巖體裂隙類型。

計算出透水率，從而評價巖體滲透性，為壩基防滲處理方案提供可靠依據。

3.2 操作步驟

1)鉆孔要求：鉆孔口徑不小于75 mm、不大于130 mm，可根據孔徑不同，選擇不同型號的止水塞與之相對應。鉆孔孔壁要相對穩定，沒有掉塊、塌孔現象，壓水鉆孔一般不得使用泥漿、植物膠等護壁材料鉆進，以防堵塞巖體裂隙，影響壓水試驗成果。

2)水泵要求：可以用鉆機自帶水泵，也可以單獨配水泵，所有連接的水管應能承受不小于1 MPa的壓力。

3)所有與量測裝置活動連接部位，均需要用“生膠帶”纏繞，以達到止水效果。

4)量測開始時，先將止水塞與鉆桿連接，將止水塞底部下到待測試段頂部位置，例如要測20.0 m～25.0 m透水率，則將塞子底部下到20.0 m位置。

5)到指定位置后，通過手壓泵向止水塞中注水，使止水塞膨脹，注水壓力不少于5 MPa，或者手工無法再加壓為止。

6)連接量測部分到水泵上，先試壓，向孔內注一定水后，觀測孔內水位變化，如果水位不變，則說明止水效果良好，否則則說明有繞滲現象，需要對止水塞進行微調，再重復上述步驟，直到孔內水位不變。

7)正式壓水開始，通過調節出水閥，來達到改變水壓的目的，宜按照0.3 MPa,0.6 MPa,1 MPa,0.6 MPa，0.3 MPa順序加壓，也可以根據實際的情況調整壓力。每級壓力持續5 min，通過水表記錄每分鐘的流量，取平均值作為該壓力下的實際流量。

8)根據壓水試驗數據，整理壓水試驗成果，繪制P—Q曲線，計算巖體透水率，評價巖體透水性。

4 數據分析和解釋

4.1 地下水類型

壩址區地下水類型主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，孔隙水主要賦存于第四系松散地層中，接受大氣降水及地表水補給，向地表溝谷及地下基巖裂隙等排泄；裂隙水主要賦存于基巖風化裂隙、構造裂隙及斷層破碎帶中，接受大氣降水和地表水補給，向河床、溝谷等排泄。

4.2 地下水位

壩址區莫諾河河水位高程約37 m，根據勘察期間地下水位觀測成果，左岸穩定地下水位高程最高約為65.8 m，地下水位坡降約5.2%；右岸穩定地下水位高程最高約為63.8 m，地下水位坡降約1.7%。根據兩岸地下水位分布特征可知，兩岸地下水位坡降較小，莫諾河(Mono)為壩址區的最低排泄基準面，屬兩岸地下水補給河水類型。

4.3 巖體滲透性

本次勘察在壩址區巖體中共完成了壓水試驗189段，試驗段巖體多為弱～微風化花崗巖、花崗片麻巖。選取一典型鉆孔，鉆孔壓水試驗成果見表2。

表2 壩址區鉆孔壓水試驗成果表

根據試驗成果，繪制P—Q曲線，見圖2。

根據左岸、河床及右岸鉆孔壓水試驗成果，繪制了左岸、河床及右岸巖體透水率與鉆孔深度變化關系圖(見圖3)。

5 結語

采用這種測定巖體滲透系數的壓水裝置，在鉆孔中進行壓水試驗，可以獲得巖體透水率較可靠的原始資料，并通過整理分析，得出壩址區巖體透水率分布情況，為大壩帷幕灌漿提供依據。在實際操作中，由于巖體破碎程度不同、施工工藝問題、供水設備水壓不穩、鉆桿止水效果不佳、巖粉堵塞裂隙等不利因素，對成果的完美性有所影響，但通過大量的工程實踐與研究，也積累了豐富的類似作業經驗。隨著該壓水裝置應用技術的推廣應用，必然對我國“一帶一路”工程項目建設起到積極的推動作用。