二瓦槽水电站气垫式调压室高压压水试验及围岩抗渗性评价

唐建昌，甘东科，郭啟良

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.中国地震局地壳应力研究所，北京100085）

二瓦槽水电站气垫式调压室高压压水试验及围岩抗渗性评价

唐建昌1，甘东科1，郭啟良2

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.中国地震局地壳应力研究所，北京100085）

对二瓦槽水电站气垫式调压室进行了高压压水试验。试验成果显示：测段岩体在5 MPa高水压压力作用下透水率绝大部分在0.26～0.98 Lu之间，小于1.0 Lu；裂隙岩体水力劈裂压力值在10.5～12.0 MPa之间，对高水头压力具有较好的承载性。试验结果表明：围岩整体抗渗性能较好，但对于局部出现的软弱结构面需进行灌浆处理。试验结果可为气垫式调压室设计和建设提供依据。

二瓦槽水电站；气垫式调压室；高压压水试验；围岩抗渗性

0 前 言

气垫式调压室是利用气室（充满水和压缩空气的封闭式腔体）内的压缩空气（即“气垫”）抑制室内水位高度和水位波动幅值的一种新型调压室。由于可省去大部分至引水隧洞及调压室的上山公路和施工支洞，故在保护引水发电系统周边生态环境和直接经济效益方面较常规调压室有较大优势，在我国水电工程建设中具有十分广阔的推广应用前景［1-11］。

岩体渗透性是确定气垫式调压室围岩漏水、漏气量的重要指标，是选择调压室防渗型式的主要依据。当围岩漏水、漏气量较大时，将直接增加运行费用，甚至影响调压室的正常运行。气垫式调压室主要有3种防渗型式：当围岩透水率极低时，可采用围岩闭气；当围岩透水率较低时，可采用水幕闭气；当围岩透水率较高时，可采用罩式闭气［1-11］。

二瓦槽水电站系大渡河支流革什扎河的第二级电站，引水隧洞长约11.3 km，引用流量33 m3／s，利用水头309 m，装机容量90 MW，为典型的“高水头、小流量、长引水”的引水式电站，拟推荐采用气垫式调压室，气室内最大气体压力3.73 MPa。为了解围岩抗渗性，特别是在高水头压力作用下的岩体抗渗性，为设计和建设提供依据，对本气垫式调压室开展了高压压水试验、水力劈裂试验、定水头压水试验和常规压水试验。

1 工程区地质概况

初拟气垫式调压室布置在革什扎河左岸雄厚山体内，竖向埋深约400～490 m，侧向埋深约450 m。河谷呈典型“V”型谷，河床谷底至分水岭高差约2 000 m，两岸边坡高陡，坡度45°～75°。山坡基岩多裸露，边坡底部有少量崩坡积覆盖，厚度小于10 m。地层岩性为泥盆系危关群一组厚层块状石英岩夹少量二云片岩，岩石坚硬。场址区无断裂发育，主要结构面为小断层、挤压错动带和节理裂隙，总体不发育。小断层、挤压错动带破碎带宽一般1～3 cm，挤压较紧密。围岩类别以Ⅲ类为主，Ⅱ类次之。

地下水分为基岩裂隙水和松散堆积层孔隙潜水两大类型。基岩裂隙水主要赋存在裂隙密集带中，受大气降水和冰雪融水补给，向河谷排泄。勘探平洞内地下水不发育，以渗水、滴水为主。ZK04钻孔（勘探平洞500 m深度处洞底）在钻进至孔深26.80 m处，出现5.50 m高承压水，后成间歇性喷出，推测为挤压带、裂隙密集带囊状承压水。

2 现场压水试验

2.1 试验设备

压水测试系统如图1所示，分为井上和井下两部分。井上部分由水泵、压力表、流量计等组成。高压水泵最大压力25 MPa，最大流量40 L／min。智能涡轮流量计安装在出水口，数字显示压水过程中的累积流量和瞬时流量。井下部分由钻杆，高压胶管，上、下栓塞组成。栓塞每只长度为1.0 m，用橡胶特制，可承受30.0 MPa压力，两栓塞之间用花管连接。

图1 压水测试系统

2.2 测试钻孔布置

压水测试钻孔布置于气垫式调压室勘探平洞500～600 m深度内（见图2），其同时进行水压致裂法三维地应力测量。6个钻孔分为两组，相距约100 m。上游侧3个钻孔呈互相垂直布置，ZK01为洞底竖直孔，ZK02和ZK03为洞壁水平孔；下游侧3个钻孔也同样呈互相垂直布置，ZK04为洞底竖直孔，ZK05和ZK06为洞壁水平孔。孔深28.6～30.7 m。

图2 测试钻孔布置

2.3 钻孔岩芯

上游侧ZK01、ZK02、ZK03钻孔岩芯完整性相对下游侧较好，节理裂隙少发育。各钻孔岩芯完整性分述如下：

ZK01钻孔岩芯完整性较差，RQD为50%，其中柱状岩芯（10～30 cm）约占总长的50%，短柱状（＜10 cm）约占40%，碎块约占10%。

ZK02钻孔岩芯完整性好，RQD为90%，其中长柱状岩芯（30～60 cm）约占总长的60%，柱状约占30%，短柱状、碎块约占10%。

ZK03钻孔岩芯完整性好，RQD为90%，其中长柱状岩芯约占总长的70%，柱状约占20%，短柱状、碎块约占10%。

ZK04钻孔岩芯完整性较差，RQD为50%，其中柱状岩芯约占总长的50%，短柱状约占30%，碎块状约占20%。

ZK05钻孔岩芯完整性较好，RQD为70%，其中长柱状、柱状岩芯（10～60 cm）约占总长的70%，短柱状约占25%，碎块状约占5%。

ZK06钻孔岩芯完整性较好，RQD为80%，其中长柱状、柱状岩芯（10～60 cm）约占总长的80%，短柱状约占15%，碎块状约占5%。

3 试验结果

3.1 高压压水试验结果

在每个钻孔内选择2个测段进行高压压水试验，测段长度均为2 m，5个压力段分别为1 MPa、3 MPa、5 MPa、3 MPa、1 MPa。气垫式调压室工作压力一般较高，传统的常规压水试验压力偏低（0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa），难以反映在真实水头压力下的渗透特性。高压作用下岩体中的微裂隙或节理等软弱结构面可能张开或扩张，从而改变岩体的原始透水性，故高压压水试验才能得到岩体透水性的可靠资料。

由测试结果（见表1）可知：12个测段在5 MPa水压压力作用下岩体漏水量均不大，除ZK05、ZK06孔内2个测段透水率分别为1.95 Lu、1.54 Lu外，其它10个测段透水率在0.26～0.98 Lu之间，小于1.0 Lu。但在测试过程中，ZK04孔深20 m以下高压压水无法起压，透水率较大，该段与囊状承压水出现位置基本一致；上游侧ZK01、ZK02、ZK03内测段岩体透水率相对下游侧钻孔略好，也与上游侧钻孔岩体相对较完整，抗渗性较好的实际条件一致。由于各测段透水率均较小，岩体渗透的各向异性不太明显。

根据各测段的压力-流量（P-Q）曲线：下游侧钻孔所有测段及上游侧ZK01钻孔20-22 m测段的升压曲线凸向Q轴，降压曲线与升压曲线不重合呈逆时针环状，为填充型曲线（见图3）；上游侧其余测段的升压曲线凸向P轴，降压曲线与升压曲线不重合呈顺时针环状，为冲蚀型曲线（见图4）。

表1 各测段高压压水试验结果（透水率／Lu）

3.2 水力劈裂试验结果

在钻孔ZK01和ZK04内分别选择2个测段进行水力劈裂试验，测段长度均为2 m。测段都选取在裂隙岩体上，以了解裂隙岩体在高水头作用下的承载能力。

各测段均从6 MPa加压，试验曲线见图5～8。如图所示：ZK01内测段按照1 MPa递增升压至7～11 MPa时候，岩体流量较小，增长均匀缓慢，当压力增至12～12.5 MPa时，曲线产生突变，流量忽然增大，继续增压至14 MPa时漏水量为8.4～14 L／min，表明裂隙已完全张开，最终确定该两测段劈裂压力值为12～12.5 MPa；ZK04内测段曲线与ZK01内测段类似，当压力增至10～10.7 MPa时，曲线产生突变，流量忽然增大，最终确定该两测段劈裂压力值为10～10.7 MPa，较ZK01内测段劈裂压力值略低。

图3 ZK01钻孔20-22 m测段P-Q曲线（填充型）

图4 ZK01钻孔16-18 m测段P-Q曲线（冲蚀型）

图5 ZK01孔20-22 m测段水力劈裂试验曲线

图6 ZK01孔22-24 m测段水力劈裂试验曲线

图7 ZK04孔16～18 m测段水力劈裂试验曲线

图8 ZK04孔20-22 m测段水力劈裂试验曲线

3.3 定水头压水试验结果

在钻孔ZK01和ZK04内分别选择1个测段进行定水头压水试验，测段长度均为2 m，以测试围岩在工程运营后在实际水头压力作用下的抗渗透能力。根据孔口内测段高程和水电站设计水位高度，以及综合考虑承压水等因素后，确定压力水头为5 MPa。试验过程中，压力维持0.5 h，每2 min采集一次流量。

试验曲线如图9、10所示。测试结果显示，在定水头压力为5 MPa作用下，岩体的流量都较为稳定，ZK01内测段岩体最大透水率为0.4 Lu，ZK04内测段最大透水率0.65 Lu。

图9 ZK01孔16～18 m测段定水头压水试验曲线

图10 ZK06孔16～18 m测段定水头压水试验曲线

3.4 常规压水试验结果

在每个钻孔内选择2个测段进行常规压水试验，测段长度均为2 m，3个压力段分别为0.3 MPa、0.6 MPa、1 MPa。

由测试结果（见表2）可知：12个测段在压力为1 MPa的常规压水压力作用下，岩体透水率在0.05～0.55 Lu之间，均小于1.0 Lu，基本不透水。

表2 各测段常规压水试验结果（透水率／Lu）

4 气垫式调压室围岩抗渗性评价

气垫式调压室布置在雄厚山体内，埋深较大，地下水不发育，主要赋存于基岩裂隙中。围岩地层岩性为泥盆系危关群一组厚层块状石英岩夹少量二云片岩，岩石坚硬。结构面以小断层、挤压错动带和节理裂隙为主，总体不发育。岩体较完整，围岩类别以Ⅲ类为主，Ⅱ类次之。

压水试验结果显示：在5 MPa高水压压力作用下岩体漏水量均不大，透水率一般在0.26～0.98 Lu之间，仅2测段大于1.0 Lu，分别为1.54 Lu、1.95 Lu，岩体渗透性的各向异性不太明显。测段附近裂隙岩体水力劈裂压力值在10.5～12.0 MPa之间，对高水头压力具有较好的承载性。

综合基本地质条件和压水试验结果，气垫式调压室围岩整体抗渗性能较好，透水率一般小于1.0 Lu。但对于局部出现的小断层、挤压破碎带和节理裂隙带可能成为渗透通道，需对其进行灌浆处理，以达到闭水、闭气效果。

5 结 论

（1）对二瓦槽水电站气垫式调压室进行了12段高压压水试验、4段水力劈裂试验、2段定水头压水试验、12段常规压水试验。

（2）试验结果表明：测段岩体在5 MPa高水压压力作用下岩土透水率绝大部分在0.26～0.98 Lu之间，仅2测段大于1.0 Lu，岩体渗透性的各向异性不太明显；裂隙岩体水力劈裂压力值在10.5～12.0 MPa之间，对高水头压力具有较好的承载性；在5 MPa定水头压力作用下，岩体透水率在0.4～0.65 Lu之间；在1 MPa常规压水压力作用下，岩体透水率在0.05～0.55 Lu之间。

（3）综合基本地质条件和压水试验结果，二瓦槽水电站气垫式调压室围岩整体抗渗性能较好，但对于局部出现的软弱结构面需进行灌浆处理。

参考文献：

［1]施裕兵，许明轩，曾联明.自一里水电站气垫式调压室工程地质研究方法［J］.水电站设计，2004，20（2）：81-84.

［2]夏勇，余挺，贺昌林，等.自一里水电站气垫式调压室研究［J］.水利水电技术，2004，35（10）：41-44.

［3]冷鸿斌.小天都水电站气垫式调压室工程地质条件研究［J］.水力发电，2005，3（1）：22-24.

［4]陈绍英，陈子海.亚洲第一个地下气垫式调压室的应用［J］.四川水力发电，2011，30（3）：95-98.

［5]方光达.气垫式调压室的布置设计与体会［J］.西北水电，2006（2）：14-18.

［6]华富刚.气垫式调压室设计中的主要问题研究［J］.水利科技与经济，2006，12（4）：221-226.

［7]方光达.水电站气垫式调压室应用现状和主要设计问题［J］.水力发电，2005，31（2）：44-47.

［8]杨飞.水电站气垫式调压室布置设计［J］.中国水能及电气化，2012，90（8）：48-53.

［9]胡建永，张健，王慧清.水电站气垫式调压室应用研究综述［J］.水电能源科学，2007，25（3）：60-63.

［10]马吉明，黄子平.气垫式调压室及其工程实践［J］.水利水电技术，1999，30：38-41.

［11]《水电站气垫式调压室设计规范》（Q／HYDROCHINA007-2010）［S］.中国水电工程顾问集团公司企业标准.

表2 烂田湾滑坡体稳定性计算成果

表2计算成果表明：

①在天然状况下，K＝1．521～2．979，暴雨状况下，K＝1.358～2.276，古滑坡体均处于稳定状态。

②在水库蓄水（正常蓄水位1 130.00 m）状况下，K＝1.319～2.834，古滑坡体稳定。

③在地震状况下，K＝1.192～1.408，古滑坡体稳定。

4 滑坡体稳定性评价

烂田湾古滑坡体形成于晚更新世，后缘及上下游侧被后期的崩坡积物覆盖，前缘被Ⅱ级阶地等冲洪积物覆盖，Ⅱ级阶地保存完好，阶面平坦，未见新的变形迹象，古滑坡体最低高程堆积于大渡河枯期河水位以下30 m，整体稳定。在天然、暴雨、蓄水、地震状况下，安全系数介于1.192～2.979，滑坡体均处于稳定状态。

5 结束语

（1）烂田湾古滑坡体位于大渡河大岗山水库库尾左岸，距大岗水电站坝址27.5 km。滑坡体前缘高程约1 060 m，后缘高程1 390 m，1 270～1 340 m高程为滑坡体平台，体积约4 000万m3。滑坡体主要由含粉土角砾层组成，厚约120～200 m，其中局部分布有含砾粉土层透镜体，厚约0.7 m。滑坡体表层有块石分布，厚度一般10～20 m。研究表明，烂田湾滑坡是在长期的重力作用下斜坡变形、岩体卸荷拉裂，在地震诱发时产生滑移—拉裂型破坏而形成。

（2）烂田湾古滑坡体未见新的变形迹象，古滑坡体最低高程堆积于大渡河枯期河水位以下30 m，整体稳定。稳定性分析表明，在天然、暴雨、蓄水、地震状况下，安全系数介于1.192～2.979，滑坡体均处于稳定状态。

［1]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京：地质出版社，1994.

［2]彭士标，等.水力发电工程地质手册［M］.北京：中国水利水电出版社，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，高级工程师，从事水电工程地质勘察工作。