水电站高埋深硐室群渗压计施工技术研究

王晓佳，靳伟强

(中国葛洲坝集团第三工程有限公司，陕西 西安 710061)

0 引言

孔隙水压力(渗流)监测是水电站安全监测中的重要项目，是国内外规范规定的中型以上水利水电工程必测项目之一。在众多的大坝渗流监测仪器中，振弦式仪器的认可度、接受度都遥遥领先。振弦式渗压计能适用于长期埋设在水工结构物或其他混凝土结构物及土体内[1]，测量结构物或土体内部的孔隙水压力，并可同步测量埋设点的温度。

大多数情况下，随着渗压计埋设深度的增加，钻孔难度也随之增大。随着渗压计孔位、方向和地质条件变化，渗压计安装、封孔的方法也要发生较大的改变，这些变化都会对渗压计测量数据造成直接影响。

本文以巴基斯坦N-J水电站项目(以下简称“N-J水电站”)地下厂房及其周边硐室渗压计施工为例，总结不同地质条件下渗压计选型、钻孔、安装、监测成果分析等渗压计施工环节，研究得到一套受复杂环境因素影响的不同量程渗压计施工技术。

1 工程概况

位于巴控Kashmir地区的N-J水电站是420 m高水头、长距离引水式水电站，其主要施工内容包括混凝土重力坝、引水隧洞及引水调压系统、地下厂房及变压器室、尾水隧洞及尾水调压系统、地面开关站以及10个施工支洞。

N-J水电站地下厂房竖直埋深450 m，水平埋深650 m。围岩主要由SS-1砂岩、SS-2砂岩和泥岩组成，岩层之间呈互层状，为陡倾角岩层，岩体中的节理裂隙及层面裂隙极其发育，挤压带及剪切带也同样发育且延伸较长，岩石条件极差。为防止厂房坍塌，在开挖过程中做了大量复杂的支护。为了防止来自引水洞的高水头压力(约4.2 MPa)对厂房及其周边隧洞造成破坏，在靠近引水隧洞的周边设计了大量的接触灌浆、帷幕灌浆、浅孔灌浆和深孔灌浆，形成了多个阻水帷幕。

在水电站运行期间，为了科学论证阻水帷幕在长期受高压水作用下的实际效果，了解地下厂房及其周边硐室岩体内部的孔隙水压力变化情况，准确掌握隧洞充水期及电站运行期隧洞基岩面内部孔隙水压力分部及消散情况，需要对其周边岩体的孔隙水渗流情况进行监测，根据监测结果验证设计、预判事故和制定方案。

2 防渗监测设计和渗压计选择

2.1 防渗监测设计

N-J水电站的设计者在排水廊道、厂房、尾水调压洞附近共布置了51套高量程的振弦式渗压计和6套量水堰，其分布位置如图1～图2所示。

图1 地下水监测仪器平面布置图

图2 地下水监测仪器横断面布置图

从图1和图2可以看出，厂房上游侧的引水洞岔管及排水廊道周边的不同高程布置了大量的渗压计。该区域介于引水洞及机组之间，承担了来自引水洞的最大的水头压力，是防渗监测的重点区域。位于厂房下游侧布置的渗压计，主要是用于监测电站运行期厂房的缠绕渗水以及尾水隧洞的孔隙水压力。从图2可以看出，渗压计主要分布在狭小的排水廊道和排水支洞内，在主体结构已经施工完毕的主厂房及主变室顶部也有少量分布，这些区域对钻孔及仪器埋设都提出更高的要求。

N-J水电站孔隙水压力监测的特性见表1所列。

表1 孔隙水压力监测特性表

由表1可知，其中有24孔钻孔孔深大于20 m，有2孔钻孔孔深达到了50 m，考虑到技术条款对钻孔精度要求较高，可以估测，大于20 m渗压计孔的钻孔成孔率将大幅度降低；有25孔钻孔向下倾斜或竖直向下，14孔钻孔向上倾斜或竖直向上，有5孔钻孔为水平方向，水平方向钻孔精度较难保障；大部分孔隙水压力计安装位置的估测水压力小于40 bar。

2.2 渗压计选择

在众多孔隙水压力监测仪器中，振弦式渗压计和差阻式渗压计因应用广泛、效果良好而在业内具有极高的认可度。振弦式渗压计因稳定性较高、耐久性好、灵敏度高、输出信号抗干扰性强和传输电缆绝缘性要求低等优点，已经在水利水电工程监测中广受认可[2]。

振弦式渗压计主要由耐腐蚀不锈钢保护外壳、过滤器(透水石)、不锈钢传感器膜片、振弦、半导体温度计、避雷针和信号线缆等组成。通过振弦将不锈钢传感器膜片所承受的水压力变化转化为振弦元件的张力和振动频率，借助信号线缆将振动频率信号及温度计信号传输至集线箱，然后通过振弦式读数仪读取振动频率及温度，计算出与渗压计所在位置相对应的孔隙水压力。线缆连接与固定是一项非常重要的工作，将直接影响渗压计安装之后的数据传输。

N-J水电站选用振弦式渗压计，其主要技术参数见表2所列。

表2 渗压计主要技术参数表

由表2可知，N-J水电站选用渗压计的外形尺寸较小，其测量精度在1‰以内，测量温度精度在±0.5 ℃以内，设备较精密。与表1对比，渗压计总量为51支，而钻孔量只有44孔，这是为了避免渗压计安装完成后由于地质原因或仪器自身原因造成监测失效，设计者在排水支洞、主厂房、尾调交通洞等重要监测部位布置了一部分复式渗压计，即在同一个孔内布置2台相同型号的渗压计。复式渗压计前后放置于砂包内部(土工布包裹细砂)，分别由2根相互独立的信号线缆连接至渗压计集线箱。

3 主要施工技术

3.1 钻孔要求

为了避免灌浆对渗压计或渗压计线缆造成破坏，渗压计钻孔在灌浆工作全部结束之后进行。满足渗压计安装条件的钻孔成孔孔径为91 mm，技术条款规定的N-J水电站钻孔精度较高，径向误差最大不允许超过孔长的5%。地下硐室特征详见表3所列。

表3 地下硐室特征表

施工区域的岩体中节理裂隙极其发育，岩石条件极差，在深孔钻孔过程中钻杆容易发生偏移。根据表3可知，有大量的渗压计钻孔位于断面狭窄的排水廊道和排水支洞中，钻孔设备选型较为困难。

在综合考虑了各种钻孔机械的性能及施工场地特征之后，决定在引水洞交通洞、尾调交通洞、厂房交通洞、探洞这几处倾斜向上和竖直向上的孔深不大于25 m的渗压计孔采用多臂钻进行钻孔，其他区域均采用地质钻进行钻孔。钻孔前，准确定位开孔位置，将钻机钻杆调整至合适的位置之后方可开钻；钻孔期间，控制钻头钻进速度，在遇到断层、裂隙的时候降低钻孔速度并及时调整钻杆角度；在遇到较为破碎的岩石钻孔精度无法保证或塌孔的情况下，可预先进行低压灌浆，将破碎岩石进行相对固定，随后重新进行钻孔。

钻孔深度应超出渗压计安装位置15～30 cm。钻孔完成后，检查钻孔孔壁，为确保仪器安装顺利，成孔应通畅，孔壁应光滑。仪器安装前，应采用导管通入大量流水，从孔底向孔口方向冲洗钻孔。

3.2 安装前的准备工作

为了保证渗压计使用过程中的数据精确，使用前需采用活塞式压力计对渗压计进行率定，检验渗压计在不同压力下的物理性能。

由于振弦式渗压计不同于其他形式的压力传感器，读数仪从振弦式压力计读取的数据并非作用于压力计上的压力，而是将作业于传感器灵敏膜片上的水压转变为振弦信号，然后经过读数仪解析而来。因此，每一个振弦式渗压计使用前，必须要创建一个渗压计在安装环境下未加压力时的精确基准值。

创建基准值时先将端部的过滤器取下，在沸水中进行沸煮，排出过滤器内空气，其中的过滤器为透水石。随后在水下将过滤器重新安装至渗压计上，确保渗压计的空腔内无空气进入；安装前，渗压计应一直浸泡在水中，保持过滤器一直处于吸水饱和状态。

为了避免出现沿无规共聚聚丙烯(polypropylene-random pipe，PPR)管内部出现渗流通道，影响渗压计测量精度，在距离渗压计约2 m范围内的PPR管上每隔10～15 cm钻一组φ10 mm的渗流孔，用于浆液回流，如图3所示。

图3 PPR管渗流孔布置图

安装前，采用土工布包裹细度模数在1.6～2.2之间的细砂，制作成一个能够包裹渗压计的砂包。然后取一根1.5 m长的φ10 mm钢筋，将砂包固定在钢筋一端，钢筋伸出砂包约10～15 cm，再将钢筋另一端用铁丝固定在PPR管上。为避免在渗压计安装过程中线缆拉扯对最终数据传输造成影响，线缆呈S型环绕PPR管外壁并用胶带间隔固定，PPR管之间采用套接连接，渗压计安装固定示意图如图4～图5所示。

图4 单支渗压计固定示意图

图5 复式渗压计固定示意图

3.3 安装及封孔

3.3.1 倾斜向上孔位安装及封孔

安装时，施工人员分2组进行相互配合作业。一组施工人员负责对接PPR管及固定线缆至PPR管上；另一组施工人员负责将已对接好的PPR管顶着渗压计缓慢送入钻孔内，根据插入孔内PPR管的长度确定渗压计是否安装到位。

当渗压计顶推到位后，采用振弦式读数仪检查渗压计是否正常，如果不正常，及时查找解决问题。读数仪读数正常后，及时在孔口安装灌浆三通孔口塞，注浆管采用内径25 mm的聚乙烯(polyethylene pipe，PE)管，深入封孔塞至孔内约2 m，利用PPR管作为回浆管。孔口塞固定好后还需砂浆封口，以防止渗压计在自重作用下滑出钻孔。

待封口砂浆硬化后，开始进行钻孔注浆回填，注浆浆液为无收缩水泥浆液。根据水泥浆浓度、渗压计安装位置与注浆机出浆口落差确定灌浆到位时的注浆机出浆口的水泥浆压强，即将达到该压强时减小灌浆压力，待PPR管口有浓浆流出时停止灌浆，此时灌浆完成。灌浆时需持续观测压力表读数仪，根据读数仪读取的数据确定受压情况，保证渗压计完好。灌浆完成后，再次采用检测仪器检查渗压计是否正常，渗压计安装成功后，将孔外信号线缆挂在孔口附近，等一个区域渗压计全部安装完成后统一敷设。

3.3.2 水平孔位安装及封孔

水平孔位的渗压计安装与倾斜向上孔位的渗压计安装相同，只需多安装一个遇水膨胀的止浆环，如图6所示。在注浆时，当浆液到达遇水膨胀止浆环，止浆环迅速膨胀并填充附近的空隙，膨胀后的止浆环避免浆液流至渗压计附近，造成渗压计读数失真甚至无法读数。水平孔灌浆过程中需特别注意振弦读数仪的数据变化情况，当读数仪变化明显时，及时调整灌浆压力，避免灌浆速度过快导致浆液穿过遇水膨胀止浆环从而进入渗压计附近。

图6 水平孔位渗压计安装示意图

3.3.3 倾斜向下孔位安装及封孔

具体做法：(1)在进行充分企业调研的基础上，确定岗位关键能力；(2)将岗位能力转化为教学项目及任务；(3)在完成教学项目及任务的过程中完成教与学(见表1)。

倾斜向下孔位的渗压计由PPR管下放至钻孔底部。在安装倾斜向下的渗压计之前，预先对PPR管靠近渗压计端头500 mm的长度内灌注水泥浆，待水泥浆凝固后再进行施工。

安装时，施工人员分2组相互配合作业。一组负责牵拉信号线，对接PPR管，并将信号线缆固定至PPR管外侧；另一组负责将已准备好的PPR管及渗压计缓慢下放至钻孔底部。需注意的是，PPR管之间采用速凝型环氧胶水粘连，待对接点粘牢后，方可将渗压计送入孔内，以免PPR管的对接点拉脱。

待渗压计被下放至钻孔底部后，采用检测仪器检查渗压计是否正常。然后向孔内回填细砂。细砂回填至振弦式渗压计以上约50～100 cm时(根据回填量确定)，再填入约50 cm的膨润土。剩余孔段再采用水泥砂浆回填，水泥砂浆回填至孔口后，再次采用检测仪器检查渗压计是否正常，渗压计安装成功后，将孔外信号线缆挂在孔口附近，等一个区域渗压计全部安装完成后统一敷设。

3.4 线缆敷设

线缆敷设前，逐根穿入聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)防护套管。相邻两根PVC防护套管套接时，涂刷速凝型环氧胶水粘牢，以防止拉脱。信号线缆穿好防护套管后，采用膨胀螺丝固定于隧洞壁面，墙壁线卡间距约2 m。位于防护套管中的信号线缆不可张拉绷紧，应处于松弛状态并保有一定富裕量，以防止线缆被拉断。

对于一定范围内渗压计数量较多的区域，比如排水廊道，多根信号线缆连接至接线盒，将线缆连接至多芯线缆，不同渗压计的监测信号按照设计要求将信号线缆归集至相应的集线箱，集线箱输出至终端。

4 实施效果分析

4.1 钻孔

根据开孔位置的空间尺寸及钻孔特性，分别采用了多臂钻或地质钻进行钻孔，大部分钻孔均一次性成型。厂房东端处于节理裂隙极其发育的挤压剪切破碎带，岩石条件较差，成孔效果不好。由于13#钻孔为水平方向钻孔，且其水平埋深达到了30 m，钻孔期间发生了卡钻、偏差过大等现象。

在对13#孔钻孔失败的原因进行分析之后，先用砂浆对失败的钻孔进行了回填，然后采用双管钻+限位器的钻孔方法，并采用了膨润土护壁，最终按照设计要求完成了13#孔的钻孔。

钻孔完成后采用测斜仪和孔内摄像技术对孔直、孔深、孔径等成孔效果进行了观测。从观测结果分析，竖直方向和小角度钻孔的孔直较好，水平方向和大角度钻孔的孔直偏差较大；岩石条件完整及连续的地区一次性成孔效果好，挤压破碎带及软弱岩层的钻孔速度慢，且成孔效果相对较差。整体来说，N-J水电站所采用的渗压计钻孔方法是成功的。

4.2 仪器安装

卡萨格兰德管是透水型超高分子量聚乙烯管，渗透系数为3×10-4m/s，气体较难渗透。最初考虑采用卡萨格兰德管作为渗压计外包保护装置。然而，在生产性实验过程中发现，满足要求的卡萨格兰德管外径尺寸偏大，材质较硬、不易弯折，安装难度大。根据模拟实验，灌浆后，卡萨格兰德管内部极易形成一个带压力的空腔，岩石内部孔隙水压力无法及时有效地传递至渗压计传感器膜片。经多次改进，采用了浸水饱和面干砂包替代卡萨格兰德管，有效解决了上述问题。

PPR管自身具备一定的刚性，在安装过程中作为渗压计推进杆。在PPR管上钻设渗流孔，不仅解决了浆液回流和孔内排气的问题，而且避免了浆液对观测部位的干扰。

根据渗压计的安装位置和孔内布置方式，采用本文所述的安装方法，结果表明：渗压计安装过程中未出现二次施工的现象，说明渗压计安装方法是合理可行的。结合空位朝向采用不同的钻孔回填方法，根据钻孔回填后读取的渗压计安装后初始读数，回填方法也是成功的。

4.3 数据监测

为验证渗压计安装埋设实施效果，选取了位于厂房上游墙的18#渗压计在安装阶段、安装完成至引水隧洞充水之前、引水隧洞充水阶段、电站运行前2年共4个阶段的监测数据。其中，18#渗压计位置的孔深为10 m，钻孔角度为-15°，估测最大压力为5 bar，渗压计量程为7 bar。

在18#渗压计安装前，创建了在当前环境下的基准值，即无压力状态下第1次监测的压力表读数及温度读数，监测数据变化情况如图7所示。在渗压计安装完成后灌浆过程中，每隔2 min进行一次压力和温度的监测，即第3～9次的监测。通过对比上述数据可以发现，灌浆过程中，渗压计的压力和温度较平稳，表明灌浆浆液未穿过膨润土及细砂对渗压计造成影响，也说明了18#渗压计的安装方案是合适的。

图7 安装阶段18#渗压计监测数据变化情况

尾水隧洞充水前，每周进行1次数据监测，尾水隧洞充水期间每天进行1次数据监测[3]，监测数据变化情况如图8所示。

图8 引水隧洞充水前18#渗压计监测数据变化情况

从图8可知，从第25次监测开始，18#渗压计的温度数据变化相对较大，第25次监测时间为2017年12月3日，此时，引水隧洞支洞封堵已经全部完成，引水隧洞无法自由进行空气流通，可能致使隧洞温度升高，从而对18#渗压计监测点附近的温度造成影响；从第20次监测开始，18#渗压计的压力变化相对较大，第20次监测时间为2017年10月28日，此时18#渗压计监测点附近正在进行排水孔施工，可能对渗压计埋设点附近的孔隙水压力造成了一定影响。

尾水隧洞充水开始后，对部分设备进行了二次调试，隧洞持续性的充水是在2018年1月31日启动的，即第34次监测时；在2022年2月18日完成了尾水隧洞的充水工作，即第44次监测时。从图8可以很明显地看出，尾水隧洞充水工作启动后，18#渗压计监测点的压力和温度都发生了一定的变化。

引水隧洞充水过程中，每天上午和下午各进行1次渗压计数据读取，监测数据变化情况如图9所示。从图9可以看出，引水隧洞充水期间，18#渗压计监测点的孔隙水压力介于0.009～0.02 bar之间，与尾水隧洞充水期间的孔隙水压力变化范围基本一致，并未有明显变化；18#渗压计监测点的温度变化介于22 ℃～23 ℃之间，与引水隧洞充水前基本变化不大，略低于安装阶段的温度。

图9 引水隧洞充水阶段18#渗压计监测数据变化情况

选取N-J水电站运行阶段前2年内的18#渗压计监测数据，监测数据变化情况如图10所示。从首台机组运行起1年内，每天读取1次渗压计的监测数据；第2年开始，每周读取1次渗压计的监测数据。从图10可以看出，18#渗压计监测点的孔隙水压力介于0～0.024 bar之间，温度介于20 ℃～23 ℃之间。

图10 电站运行及阶段18#渗压计监测数据变化情况

从图7～图10可以看出，18#渗压计整个监测阶段内的监测压力在0～0.040 bar范围内变化；在引水隧洞充水之后，压力变化范围进一步缩小至0～0.024 bar之间。考虑到18#渗压计压力监测设计误差在±0.005 bar之内，温度监测设计误差在±0.5 ℃之内，18#渗压计在整个监测阶段内其监测区域的压力和温度都处于正常变化范围之内，且长期处于稳定状态，说明18#渗压计安装是成功的，也说明了布置在地下硐室与引水隧洞之间的阻水帷幕效果是良好的。

5 结论

N-J水电站地下硐室渗压计钻孔角度朝向多样，地质条件及周边施工环境复杂，在制定钻孔方案时，结合开孔位置所处的空间尺寸、钻孔周边岩体地质情况、成孔特性等因素合理选择钻孔器械；根据实际情况，对开挖位置及孔位角进行适时调整，确保渗压计的安装位置不变；对于距离地面较高的竖直向上的孔位，为了确保钻孔精度，采取先搭设排架再钻设等方案。针对不同问题制定相应的解决方案，N-J水电站地下硐室渗压计钻孔一次性成功率达到了97%。

每支振弦式渗压计安装前，均应根据钻孔位置的温度、气压等情况，创建本支渗压计在特定环境下的基准值，才能保证渗压计安装之后数据测量精确、有效。在渗压计安装时，需根据孔位的朝向(斜向上、水平、斜向下)制定不同的安装方案及封孔方案，避免孔材料堵塞渗压计，从而造成测值失真。从后期监测结果看，N-J水电站地下硐室渗压计的安装完好率达到了100%。