超高水头作用下深埋岩体的渗透特性研究

　　摘要：抽水蓄能电站岔管区岩体承受的内水压力高，通过快速法、中速法、慢速法超高压压水试验，结合试段岩体特征、最小主应力σ3分析，研究了超高水头作用下深埋岩体的渗透特性。
　　关键词：岔管，超高水头，深埋岩体，透水率，结构面张开压力，稳定临界压力
　　1引言
　　浙江天荒坪第二抽水蓄能电站总装机容量为2100MW，输水系统采用二洞六机布置，输水线路水平距离约2.5km，高程自上水库西库岸的1077m渐次降低至下水库进/出水口的180m，天然落差达730余m。其中承受内水压力最大的岔管区压力高达8.5MPa，为研究该区岩体在超高压水头作用下结构面的稳定张开压力大小及相应透水率，进行了一系列的超高压压水试验工作。
　　2地质概况
　　岔管区上覆岩体厚530~600m，岩性为侏罗系上统劳村组流纹质角砾熔结凝灰岩类，暗紫~灰紫色，凝灰结构，块状构造或假流纹构造，岩石饱和抗压强度达168MPa，软化系数约0.8，岩体新鲜、完整，以Ⅱ级岩体为主，试验区最小主应力σ3大小为9.2~9.7MPa，方位呈N40°W∠50°左右。
　　岔管区节理裂隙总体不发育，以NE~NEE、NNW~NW向陡倾角发育为主，多短小平直、闭合，面多附钙膜，少量节理延伸较长、微张，局部沿面见渗滴水；规模较大的结构面有三条：
　　①缓倾角层间错动带f(473)：产状为N30~38°WSW∠25~35°，宽度为0.2~1.1m，上、下界面宽1~15cm左右，由片状岩、岩屑及0.1~0.5cm断层泥组成，局部有线状水流和渗滴水；
　　②断层f(710)产状为N80~90°ENW∠75～80°，宽约0.05~0.5m，充填片状岩、碎裂岩等，后期总体胶结较好；
　　③断层f(734)N65~80°ENW∠65～70°，宽0.03~0.3m，由片状岩及少量角砾岩组成，含脉状石英，胶结较好，局部有渗水。
　　3高压压水试验
　　3.1试验开展情况
　　在岔管区PDx1-2支洞、PDx1-3支洞及主洞底各钻孔内进行快速法试验，累计完成试验96段次；在结构面张开压力较低的孔段中分别进行了8段次中速法试验、9段次慢速法试验；试验点位置分布见图1。
　　图1高压压水试验点位置示意图
　　
　　
　　3.2快速法试验
　　试验参照《水电水利工程钻孔压水试验规程》（DL/T5331-2005）进行，试验段长5.00m，采取单循环逐级加压，最大试验压力为10.9~13MPa左右，分5级、9~11个阶段进行试验，每级压力流量观测时间约5分钟，流量稳定后进入下一级试验压力。试验结果见表1。
　　表1快速法试验成果汇总表
　　试验位置及
　　钻孔编号 试段
　　总数 结构面张开压力段次及含量（%） 透水率均值(Lu)
　　  无张开压力 ＜8.8MPa 8.8≤P≤11MPa ＞11MPa 
　　PDx1-
　　2支洞 ZKc101 19 1 2 10.5% 8 42.1% 8 42.1% 0.40
　　 ZKc102 19 7 11 57.9% 1 5.3% 0 0 0.61
　　 ZKc103 19 3 5 26.3% 2 10.5% 9 47.4% 0.39
　　PDx1-
　　3支洞 ZKc110 13  1 7.7% 4 30.8% 8 61.5% 0.21
　　 ZKc111 13  6 46.2% 6 46.2% 1 7.7% 0.66
　　 ZKc112 13  0 0 5 38.5% 8 61.5% 0.35
　　合计 96 11 25 26.0% 26 27.1% 34 35.4% 0.45
　　注：结构面无张开压力指P-Q曲线拐点不明显，为B类曲线类型。
　　压力P-流量Q曲线类型分A（层流型）、B（紊流型）、C类（扩张型）三类，其形态见图2所示：
　　图2P-Q曲线类型图
　　
　　A（层流型）类试段反映了完整性极好的岩体渗透特征，占18.8%，表明在高达13MPa试验水头下，试段流量极小，透水率值＜0.1Lu，结构面张开压力高达13MPa以上。
　　B（紊流型）类试段占11.5%，反映了连通性及渗透性较强的张性结构面渗透特性，随着试验压力的增加没出现流量明显增大的压力拐点。
　　C类（扩张型）试段占69.7%，曲线拐点较明显，流量急增，该类结构面张开压力值多为8.8MPa以上，但小于和等于8.5MPa的试段也达到了25段，占总试段的26.0%。
　　快速法试验结果表明：所有试段中结构面张开压力≥8.8Mpa（约岔管处内水压力的1.0倍）试段达62.5%，曲线类型以C类（扩张型）试段为主、占69.7%，而连通性及渗透性较强的张性结构面曲线类型呈B类（紊流型），占11.5%，无明显的流量压力拐点。其中以节理较为发育的ZKc102、ZKc111孔结构面张开压力较低（＜8.8MPa的比例分别达57.9%和46.2%），试验成果较差，结构面张开压力大小与最小主应力σ3量级基本一致。
　　3.3中速法试验
　　试验采用1～2个循环，最大试验压力10.9~12.6MPa，压力分级在快速法的结构面张开压力前后适当加密，每级压力稳定时间为5～10min，当某级压力下流量明显增大时，压力稳定时间为120min。
　　试验选择在结构面较发育的ZKc111孔进行，试验结果见表2。
　　表2ZKc111孔中速法试验成果表
　　测段编号 测段深度
　　(m) 试验最大压力P(MPa) 流量
　　Q(L/min) 透水率
　　q(Lu) 结构面张开压力（MPa）
　　     快速法 中速法
　　1 33～38 12.6 52.00 0.83 10.4 10.7
　　2 38～43 12.6 49.17 0.78 7.8 10.8
　　3 53～58 11.9 52.50 0.88 7.8 8.0
　　4 58～63 10.9 52.83 0.97 7.8 7.1
　　5 68～73 12.3 52.33 0.85 7.8 7.8
　　6 73～78 11.7 52.33 0.89 7.8 7.1
　　7 78～83 12.2 52.00 0.85 7.8 8.0
　　8 83～88 12.3 47.83 0.78 10.4 9.0
　　
　　通过比较，中速法结构面张开压力与快速法试验成果差异不大，在结构面张开后压力维持120~150min，试段渗透流量一般在5~10分钟后即达稳定，未出现流量随时间增加而逐渐增大的现象，最大压力下岩体的透水率仅为0.78~0.97Lu，长时间作用下岩体渗透稳定。
　　3.4慢速法试验
　　试验为二个以上循环，最大试验压力为11MPa，分4~11MPa共8级、13个试验阶段，前4级压力每级稳定30min，后4级压力每级稳定120min，至最高压力稳定120min后，再快速逐级退压，每级压力稳定时间为5min，每个循环间隔时间在12h以上。慢速法试验目的是了解岩体在高压水的多次循环作用下的渗透特性，进一步确定结构面的稳定临界压力值。
　　慢速法试验仍选择试验结果较差的ZKc111孔、及ZKc110孔（孔深77~82m）孔段进行，试验结果汇总于表3。
　　表3慢速法试验成果汇总表
　　测段编号 测段深度
　　(m) 试验最大压力
　　P(MPa) 流量
　　Q(L/min) 透水率
　　q(Lu) 稳定临界压力
　　（MPa）
　　ZKc110-10 77～82 10.8 28.00 0.52 9.0
　　ZKc111-7 63～68 10.70 35.33 0.66 8.0
　　ZKc111-8 68～73 10.70 35.50 0.66 7.8
　　ZKc111-9 73～78 10.70 34.17 0.64 7.0
　　ZKc111-10 78～83 10.70 32.50 0.61 8.0
　　ZKc111-11 83～88 10.70 35.33 0.66 8.0
　　ZKc111-12 88～93 10.70 33.67 0.63 9.0
　　ZKc111-13 93～98 10.70 0.98 0.02 ≮11.0
　　为便于比较，将快速、中速、慢速试验的压力（P）~流量（Q）~时间（T）关系曲线分列于图3。
　　图3ZKc111-8（孔深68～73m）压力～流量～时间关系曲线
　　
　　试验结果表明：除ZKc111-13试段稳定临界压力不小于11MPa，其余7段稳定临界压力在7~9MPa，试段岩体在最大试验压力下的透水率为0.52~0.66Lu，属于微透水性。在高压水头(9~11MPa)各级压力作用120min的条件下，岩体渗透流量均能迅速达到并维持稳定，说明在结构面张开后，岩体仍处于稳定的弹性变形状态。但也存在少量试段在低压阶段（4~7MPa）透水率较前一循环略有小幅上升现象，反映了多循环高水头作用下少量结构面因劈裂伸张及其充填物冲蚀引起的结构面张开压力略下降现象。
　　3.5断层带高压压水（渗透）试验
　　为了解岔管区断层及层间错动带在高压水作用下的渗透特性，对层间错动带f（473）、断层f（710）进行了高压压水（渗透）试验，其中：断层f（710）胶结较好，在10~13MPa压力的较长时间作用下，岩体渗透微弱，洞壁也无水渗出，反映了试段区断层f（710）抗渗稳定性较好。而层间错动带f（473）试验段本身岩体较破碎，沿面渗水，在较低的试验压力下流量较大，最大泵量下压力只能达到4MPa，相应流量为54L/min，透水率达2.7Lu，渗透稳定问题突出。
　　4结语
　　本工程岔管内水压力高达8.5MPa，通过系统的超高压压水测试，重点对连通性强的结构面、断层及层间错动带的高压渗透特性进行了观测分析研究，得出以下结论，对类似工程有一定的借鉴意义：
　　①完整性好的岩体结构面张开压力大小主要受控于所处的应力场中最小主应力σ3大小，测试结果能满足本工程岔管内水压力要求。
　　②岔管区约1/3试段岩体中存在连通性较强的张性结构面，结构面张开压力基本满足要求，在多循环、长时间的高水头作用下，岩体渗透稳定、透水率小，但也存在极少量结构面因冲蚀引起的结构面张开压力略下降现象，需加强处理。
　　③层间错动带f（473）在较低压力下渗流量即达试验最大泵供水量，而f（710）断层透水性微弱，短时间内未发生渗透破坏。总体上，断层作为相对软弱面，在长期高压水头的反复作用下存在渗透破坏累积过程，须重点处理。
　　最终因钢筋混凝土衬砌存在渗透稳定问题较突出且处治难度大，岔管选用安全可靠的钢衬形式。
　　
　　参考文献
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　　［6］李孙权，申屠跃军，王志华等.天荒坪第二抽水蓄能电站工程地质勘察报告［R］.杭州：中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，2008.

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