钢筋混凝土高压岔管区断层岩体高压压水试验方法.pdf

第 3 6卷第 7期 2 0 1 0年 7 月 水 力 发 电 钢筋混凝土高压岔 管区断层 岩体 高压压水试验 方法 李 尚高 ，蒋 中明 ，胡大可 ，傅 胜 ( 1 ． 中国水 电顾 问集 团中南勘 测设 计研 究院 ，湖南 长 沙 4 1 0 0 1 4 ； 2 ． 长沙理 工大学 ，湖南长沙 4 1 0 0 0 4 ) 摘要 ：针对黑麇峰抽水蓄能电站高压岔管 区断层带空间几何特性 ，研究了陡倾角断层岩体高压压水试验方法。通 过对高压压水试验成果进行分析 ．得到 了断层岩体渗透稳定 的渗控设计参数 ．了解了钢筋混凝土高压岔管区断层岩 体的渗透稳定性 ，并验证了高压 压水试验方法的正确性 。 关键词 ：高压岔管 ；断层岩体 ；高压压水试验 ；渗透性 ；黑 麋峰抽水蓄能电站 Hi gh W at e r Pr e s s ur e Te s t of Fau l t Roc k ar o und t he Rei nf o r e e d Co ne r e t e Bi f ur c a t i o n L i S h a n g g a o ， J i a n g Z h o n g mi n g 。 ， Hu Da k e ， F u S h e n g ( 1 ． Hy d r o C h i n a Z h o n g n a n En g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C h a n g s h a Hu n a n 41 0 01 4 ； 2．Cha n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e& Te c hn o l o g y ．Ch a ng s ha Hu na n 4 1 0 0 04 1 Abs t r a c t ：The bi f u r c a t i on o f d i v e r s i o n pi pe i n He i mi f e n g Pu mp e d—s t o r a g e P o we r St a t i o n p a s s e s t hr o u g h a l a r g e r f a ul t r o c k z o ne wi t h s t e e p a n g l e．Ac c o r d i n g t o t h e g e o me t r i c c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e f a u l t r o c k ，h i g h wa t e r p r e s s u r e t e s t wa s d e s i g n e d t o s t u d y t h e p e r me a b i l i t y o f r o c k s s u r r o u n d i n g t h e r e i n f o r c e d— c o n c r e t e h i g h— p r e s s u r e b i f u r c a t i o n ． By t e s t r e s u l t s a n a l y s i s ，t h e d e s i g n pa r a me t e r s f o r f a u l t r o c k s e e p a g e c o n t r o l a r e d e c i de d． Ke y W o r d s ： h i g h p r e s s u r e b i f u r c a t i o n ；f a u l t r o c k ； h i g h wa t e r p r e s s u r e t e s t ； p e r me a b i l i t y ；He i mi f e n g P u mp e d — s t o r a g e P o we r S t at i o n 中 图 分 类 号 ： T V7 3 2 ． 4； T V5 4 3 ． 1 6( 2 6 4) 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 0 5 5 9 — 9 3 4 2 ( 2 0 1 0 ) 0 7 ～ 0 0 2 5 — 0 3 1 工程概 况 钢 筋 混 凝 土 高 压 岔 管 一 般 适 用 于 I 、 Ⅱ类 或 部 分 Ⅲ类 围 岩 ， 而 抽 水 蓄 能 电 站 工 程 建 设 中 遇 到 断 层 的 情 况 时 有 发 生 。 在 这 种 情 况 下 ，通 常 选 择 岔 管 避 开 断 层 区 的 做 法 ， 但 有 的 工 程 ，如 黑 麋 峰 抽 水 蓄 能 电 站 ， 由 于 多 方 面 原 冈 无 法 将 岔 管 避 开 布 置 。 因 此 ， 对 高 压 岔 管 区 断 裂 带 岩 体 进 行 高 压 压 水 渗 透 特 性 及 渗 透 变 形 试 验 研 究 ，其 目 的 是 了解 断 层 岩 体 在 高 压 水 作 用 下 的 临 界 劈 裂 压 力 和 极 限 水 力 坡 降 ， 为 _T 程 处 理 提 供 设 计 依 据 。 黑 麋 峰 抽 水 蓄 能 电 站 引 水 高 压 岔 管 呈“ Y” 字 形 布 置 于 地 下 厂 房 上 游 ，包 括 l 、2号 机 高 压 引 水 岔 管 和 3 、4号 机 高 压 引 水 岔 管 ， 两 者 分 别 距 厂 房 上 游 边 墙1 1 4、 1 0 0 m， 两 者 中 心 相 距 4 6 m， 中 心 高 程 1 8 ． O 0 m，岔 管 内 最 大 静 水 压 力 约 为 3 ． 8 5 MP a ，最 大 动 水 压 力 约 为 4 ． 5 MP a ， 高 压 岔 管 上 游 1 、2号 引 水 隧 洞 相 邻 边 墙 相 距 3 6 m。 高 压 引 水 岔 管 及 引 水 隧 洞 采 用 钢 筋 混 凝 土 衬 砌 ， 高 压 引 水 支 管 采 用 钢 管 衬 砌 ． 厂 房 上 游 帷 幕 布 置 于 高 压 引 水 岔 管 与 高 压 引 水 支 管 交 汇 部 位 。 岔 管 洞 室 埋 深 2 1 5 m， 高 压 岔 管 紧 邻 F 断 层 。洞 室 内 F 断 层 包 括 2条 分 支 断 层 ， 两 分 支 断 层 在 引 水 隧 洞 下 平 段 左 侧 合 并 ．断 层 问 最 大 距 离 约 5 m。 断 层 两 侧 均 有 2 ～ 1 5 n l 不 等 的 断 层 影 响 破 碎 带 ．整 个 断 层 破 碎 带 及 影 响 带 宽 度 为 7 ． 5 ～1 8 m。 F 。 断 层 及 其 影 响 破 碎 带 对 高 压 引 水 岔 管 区( 含 临 近 岔 管 的 引 水 隧 洞 下 平 段 )影 响 较 大 ，在 高 压 水 冲 蚀 作 用 下 可 能 发 生 水 力 劈 裂 、渗 透 破 坏 以 及 相 邻 收稿 日期 ：2 0 1 0 — 0 5 — 1 8 作者 简介：李 尚高 ( 1 9 6 5 一) ，男，湖南安化人 ，教授级高工，主要 从事水电T程地质勘测 1 二 作． 洞室 内可能 出现 高压 喷水 现 象 ，危及 高 压岔 管 、引 水 隧洞下平 段 F 断层段 及相邻 洞室 的安 全 ，特 别是 在 一 洞 运 行 一 洞 放 空 工 况 下 ，水 压 力 差 大 ， 更 容 易 产 生 由 于 断 层 带 ( 含 影 响 带 ) 水 压 劈 裂 和 渗 透 破 坏 引 起 的 透 水 事 故 或 围 岩 失 稳 问 题 。 为 此 ，对 高 压 引 水 岔管 区 断层 岩 体进 行 了现 场高 压压 水试 验研 究 ，为 断 层 等地 质 软 弱 面 的 工 程 处 理 提 供 设 计 依 据 。 2 压水试验设计 2 ． 1 布 置原则 为 了 解 F ， 断 层 带 在 高 压 水 作 用 下 的 渗 透 稳 定 性 ，高压压水试 验布置遵 循 以下原则 ： ( 1 ) 根 据 高 压 岔 管 洞 室 建 筑 物 布 置 和 洞 室 开 挖 情 况 ，结 合 引 水 高 压 岔 管 区 F 断 层 的 出 露 位 置 ，进 行 高压压水 试验 ( 2 ) 试 验 研 究 重 点 为 断 层 带 岩 体 ，并 兼 顾 断 层 带周 边岩 体 。 因此 ，高压 压水 试验 段 的布 置 既包括 断 层 段 ．也 包 括 裂 隙 岩 体 段 。 ( 3 ) 试 验 布 置 主 要 考 虑 2个 方 面 ：一 是 从 水 平 方 向 上 模 拟 2条 引 水 隧 洞 一 洞 运 行 一 洞 放 空 工 况 ： 二 是从 铅直 方 向上 模 拟 高压 水对 顶层 排水 廊道 等 相 邻洞 室的影 响。 2 ． 2 试 验布置 选取 引水隧 洞北侧壁 F 断层东部 至施 工支洞一 带 进 行 试 验 ，即 在 引 水 隧 洞 与 施 工 支 洞 交 汇 处 北 侧 壁 布置 1号水平 试验孔 ，在其 四周布 置渗压 测试 孔 ， 在其 以西 布 置 3个 渗 压测 试孑 L 和 2个 岩体 变形 测 试 孔 。在 引水 隧洞 与施 工支 洞交 汇 处 以西 布置 2号 试 验 孑 L ，并 在 铅 直 方 向 布 设 3个 渗 压 测 试 孔 ．渗 压 测 试 孔 与 试 验 孔 位 于 同 一 铅 直 面 上 。 考 虑 到 F ， 断 层 在 2条 引 水 隧 洞 间 的 跨 越 长 度 近 4 2 m， 2条 引 水 隧 洞 间 最 小 距 离 为 3 6 m． 故1号 试 验 孑 L 与 洞 壁 间 沿 断 层 的 水 平 最 短 距 离 取 3 5 m。 2号 引 水 隧 洞 顶 部 到 上 层 排 水 廊 道 之 间 岩 体距 离 为 4 0 m．故 2号 试 验 孑 L 与 洞 底 问 沿 断 层 的 最 短 距 离 取 3 8 m 2 ． 3 高压压水 系统设计 高 压 压 水 系 统 为 压 水 试 验 系 统 重 要 组 成 部 分 ， 主 要 负 责 提 供 满 足 试 验 要 求 的 压 力 和 流 量 。 高 压 泵 组 满 足 以 下 3个 条 件 ： ( 1 )流量 。对 I、 Ⅱ类 围岩 ，不 用 钢衬 岩体 透 水率 上 限按 2 L u考虑 ，试 验段 长 1 0 n q t ，试验 最 高 压 力 5 ． 5 MP a ，则 试 验 泵 组 需 要 满 足 的 供 水 流 量 为 1 1 0 L ／ mi n 。对 Ⅲ 、Ⅳ类 嗣岩 ，不用 钢 衬岩 体透 水率 上 限 按 5 L u考 虑 ，试 验 段 长 1 0 1 1 1 ．试 验 最 高 压 力 5 ． 5 MP a ，则 试验 泵组 需要 满 足 的供 水 流量 为 2 7 5 I J mi n 。 圈~ o t e r P o w e r V o L 3 6 ． N o ．7 ( 2 ) 压 力 。 试 验 段 所 需 最 大 压 力 为 5 ． 5 MP a， 考 虑 管线 、接 头水 头 损失 为 3 MP a ，高压 泵 出 口压 力 至 少 达 到 8 ． 5 MP a 。 ( 3 )高压 泵机 组 数量 。按 试验 所 需 的最大 流 量 为 2 7 5 L ／ mi n考 虑 ．选 择 3台 流 量 为 1 0 0 L ／ rai n的水 泵 供 水 ，考 虑 到 试 验 过 程 备 用 1台 水 泵 ，压 水 系 统 泵 组 选 择 4台 高 压 泵 。 单 泵 额 定 流 量 为 1 0 0 L ／ mi n。 单 泵 出 口额 定 压 力 为 1 0 MP a 。 时 间 、压 力 和 流量 等数 据均 采用 自动采集 系统 进 行 采 集 ，以 避 免 人 工 记 录 引 起 的误 差 。 2 ． 4监 测 系统 设计 为 获得 高 压 压水 条件 下试 验孔 附 近岩体 孑 L 隙水 压 力 的变 化情况 ，在 1 、2号试验 孔试验 段对应 位置 埋 设 1 0只 能 同时 记 录 水 温 和压 力 值 的钢 弦式 渗 压 计 ，渗 压计 最 大 量 程 5 ． 5 MP a 。所 有 渗 压计 测 量 的 渗 压 数 据 通 过 数 据 采 集 仪 进 行 实 时 自动 采 集 。 在 4、6号 钻 孑 L 内 各 布 置 一 套 多 点 ( 4点 )钢 弦 式 位移 计 ；变形 位 移传感 器 分别 布 置在 断层 带 和两侧 断 层 影 响 带 中 ，记 录 岩 体 在 高 压 渗 透 压 力 作 用 下 的 相 对 变 形 量 。变 形 信 号 采 用 实 时 自动 采 集 方 式 。 2 ． 5试验方 法 高压 压水 试 验通 过压 水试 验 孑 L 与 孔压 测试 孔 配 套组 合方 式进 行 ，并在 F 。 断 层带 布设 多 点位 移计 ， 以监 测试 验过 程 中断 层 带岩 体 的变形 情况 。试 验孔 布 置 2孑 L 3段 高 压 压 水 试 验 段( 其 中 2段 横 跨 断 层 带 ，1段布 置于 断层上盘 岩体 内) 。试 验最 大设计 压 力 按 5 ． 5 MP a考 虑 ，水 压 力 采 用 从 低 至 高 、分 级 循 环 施 加 的方 式 ，压力 梯 级 按 0 ． 2 ～ 1 ． 0 MP a考 虑 。采 用 快速 法 、中速 法 和慢 速法 3种 方式 ．每级 压力 持 续 时 间 分 别 为 5 、3 0、3 6 0 mi n 。 3 试验成果及分析 3 ． 1 渗透性 图 l为 1号 试 验 孔 裂 隙 岩 体 段 压 力 与 平 均 流 量 关 系 曲线 。流量一 压力 曲线 明显分 为 3个 阶段 ：第 1段 试 验 压 力 小 于 4 ． 0 ～ 4 ． 5 MP a ，渗 流 量 一 般 小 于 5 ． 0 L ／ mi n，岩体 微量 透水 ；第 2段试 验压 力 4 ． 5 ～ 6 ． 0 MP a ，渗 流 量 5 ． 0 ～1 2 ． 0 3 L ／ rai n，岩 体 渗 水 量 加 大 ， 透 水 性 较 强 ： 第 3段 试 验 压 力 6 ． 0 ～ 8 ． 0 MP a。渗 流 量1 2 ． O～ 41 ． 0 L ／ mi n， 岩 体 渗 水 量 明 显 或 突 然 加 大 ，透 水 性 强 。 图 2 为 2号 试 验孔 断 层 带 岩体 压 力 与平 均 流量 曲线 。 流量一 压力 曲线 也 明显 分 为 3个 阶段 ：第 1 段 试 验 压 力 小 于 2 ． 5 MP a ， 渗 流 量 小 于 1 ． 0 L ／ mi n， 岩 体 微透 水 ；第 2段 试 验 压 力 2 ． 5 ～ 4 ． 5 MP a ，渗 流 量 1 ． 0 ～ 2 ． 0 L ／ mi n ， 岩 体 微 量 透 水 ，透 水 性 弱 ；第 3 子I 向， f： 朋 比 ． L 向 l 卫 ( 凸 巨 【 △ I ， 五 石 向 l 卫 ^ 卫 小 寻 ， J 压 暑 一 、 、 由I 避 霜 ．曼 ＼ 删 露 图 1 1号 孔 岩 体 段 压 力 与 流 量 关 系 图 2 2号 孔 断 层 段 压 力 与流 量 关 系 垒 ＼ 出 图 3 压 力 与 时 间关 系 3 ． 3高水 压作 用下 的岩体 变 形 图 4为 位 移 测 试 孑 L内 位 移 与 时 间 的 变 化 关 系 。 试 验 过 程 中 。 位 移 计 反 映 出 来 的 相 对 位 移 绝 对 值 均 不 大 。 4号 测 试 孑 L多 点 位 移 计 的 最 大 相 对 位 移 为 0． 1 2 mm：6号 测 试 孔 多 点位 移 计 的最 大 相 对 位 移 为0 ． 0 8 mm。 由 于 4号 测 试 孔 距 离 试 验 孔 较 近 ，该 位 置 处 渗 压 和 相 对 位 移 值 均 比 6号 测 试 孔 处 的岩 体 的渗 压 和 相 对 位 移 值 大 ，这 也 从 另 一 角 度 证 明 试 验 过 程 中 岩 体 的 变 形 与 岩 体 中 裂 隙 水 压 力 的 大 小 相 关 。 段试 验 压力 5 ． 0 - 7 ．0 MP a ，渗 流量 基本 维 持 在 1 ． 5 L ／ o ．1 o mi n ，岩体渗 水量 同样 很小 ，表 明 2号 断层 岩体 透水 性 较 弱 。 水文水资源与地质- t i f 。 。 比较 断 层 岩体 和 裂 隙岩 体 的高压 压 水 试 验成 果 可 以发 现 ，裂 隙 岩体 在 发 生水 力 劈 裂后 的流 量 比断 层 岩 体 大 。原 因 是 裂 隙 岩 体 压 水 试 验 段 靠 近 洞 壁 ， 当裂 隙 岩 体 发 生 水 力 劈 裂 后 ，洞 壁 出 现 了 多 处 大 量 渗水 现 象 。断 层 带试 验 孔 距 离洞 壁 较 远 ，高 压压 水 试 验过 程 中 ．洞 壁 渗水 范 围 小 ，且 渗 水 流量 小 。从 图 1 、 2 可 知 ． 裂 隙 岩 体 水 力 劈 裂 压 力 值 为 4 ． 5 MP a ，断 层 岩 体 水 力 劈 裂 压 力 值 为 2 ． 0 ～ 2 ． 5 MP a 。 3 _ 2渗透 破坏水 力 坡降 图 3为 1号 试 验 孔 孔 内 压 力 和 5号 测 试 孔 渗 压 随时 间变 化 曲线 。随着 试 验 孔 内压 力 的增 加 ，在 高 压 压 水 试 验 进 行 到 约 7 0 mi n时 ， 1号 孔 内 流 量 突 然 加 大 ．而 5号 测 试 孔 内 的渗 压也 开 始 出 现大 幅 度 增 加 。 这 种 现 象 表 明 ，试 验 孔 和 测 试 孔 之 间 的 岩 体 在 此 刻产 生 劈 裂性 连 通 或 冲蚀 性 连通 ，裂 隙 中 的颗 粒 被 带 走 进 入 渗 压 孔 ， 导 致 渗 压 孔 内 流 量 和 压 力 突 然 加 大 。 因 此 ，可 以 将 渗 压 孑 L 起 压 临 界 点 作 为 判 断 岩 体 发 生渗 透 破坏 连 通 的判 据 ，并依 此 来 计算 渗 透 破 坏 水 力坡 降 。从 图 3可 以看 出 ，裂隙 岩 体 内渗 压 计 压 力 突 增 时 试 验 孑 L 压 水 压 力 为 6 ． 6 9 MP a ，渗 压 孑 L 压 力 为 0 ． 1 2 MP a ， 根 据 测 试 孑 L 之 间距 离 ( 6 ． 0 m) 得 到 渗 透 破 坏 水 力 坡 降 约 为 1 0 9 。 目 。 潞 趣i- o ． O 5 _0 ．1 0 — 0 ． 1 5 ， ：卜 6 号 测 试 孔 =oo 6( ■ ■■■■ ■一 图 4 位 移 与时 I司关 系 4 结语 ( 1 ) 本 次 研 究 尝 试 在 高 压 压 水 试 验 中 监 测 岩 体 的变 形 ．高 水力 梯 度 作用 下 裂 隙水 将 导 致岩 体产 生 较 大 的 变 形 ． 而 采 用 多 点 位 移 计 可 以 较 好 地 监 测 岩 体 变 形 情 况 。 ( 2 ) 以 流 量 一 压 力 关 系 曲 线 中 突 变 处 确 定 劈 裂 压力 值 ，且 岩体 是否 劈 裂 与压 水试 验 过 程 中流 量 大 小 关 系 不 大 。 ( 3 ) 提 出通 过 试 验 孔 和 孑 L 压 测 试 孑 L 内 的 压 力 的 变化 确定 水力 坡 降以及判 断岩 体是 否发生 渗透 破坏 。 为 更 好 地 验 证 本 方 法 的 正 确 性 ， 建 议 在 后 续 压 水 试 验 中 采 用 渗 压 和 钻 孑 L 录 像 相 结 合 的 方 法 研 究 岩 体 的 渗 透 性 。 ( 责任编 辑杨健 ) W a t e r P o w e r V o 1 ． 3 6 ． N o ．7团