荒溝抽水蓄能電站高壓岔管工程地質勘察方法探討

劉錄君，田作印，鄭以寶，季 聰，楊宗玲

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130021)

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內，距牡丹江市約130 km，距蓮花水電站約45 km。該電站系以三道河右岸的山間洼地作為上水庫，正常蓄水位652.50 m;已建的蓮花水庫作為下水庫，正常蓄水位218.00 m。電站裝機1 200 MW，是一座大型水電站。其樞紐建筑物主要由上水庫擋水主壩、庫尾埡口擋水副壩、輸水隧洞、上下游調壓井和中部地下廠房等組成。

輸水發電系統區為切割不深的低山地形。山體高程215～680 m，相對高差100～150 m，地形坡度20°～40°，局部地形坡度較陡，達50°～60°。輸水隧洞埋深一般為60～430 m，高壓岔管部位埋深約415 m。圍巖為華力西晚期白崗花崗巖，巖質堅硬，巖體新鮮較完整。

輸水隧洞高壓岔管型式為“卜”型，分岔角為60°，岔管內徑由6.7 m漸變至3.9 m，岔管段長度為25 m(沿主管軸線方向)。引水岔管承受最大內水壓力約7 MPa，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.8 m，雙層配筋。

1 勘探依據及重要性

根據《水力發電工程地質勘察規范》(GB 50287—2006)要求，可行性研究階段勘察時，應重視對高壓岔管部位巖體工程地質條件的勘察。另據《抽水蓄能電站設計導則》(DL/T 5208—2005)要求，水道方案選定后，根據需要在高壓岔管及岔管部位的鉆孔中，選擇有代表性的試驗段，進行管道內水壓力1.2倍的專門性壓水試驗，測試巖體的滲透性及劈裂壓力值。

通過高壓壓水試驗測試，為高壓岔管設計提供地質依據。

2 勘察工作的難度

本電站可研勘察于20世紀90年代進行，由于當時對岔管的認識有限，地質探硐沒有打到岔管部位，高壓壓水試驗工作也沒有進行。2012年招標設計階段決定對岔管部位進行專門地質勘察，主要勘察手段是鉆探，通過鉆孔來完成岔管部位的一系列試驗測試工作。

根據國內前期抽水蓄能電站岔管勘察資料，高壓岔管高壓壓水試驗工作多在專門試驗洞內鉆孔進行試驗，鉆孔深度一般不大，試驗難度小，成功率高。而本電站岔管埋深達400多米，鉆孔深，造孔難，要在鉆孔內完成物探測試、高壓壓水試驗及地應力等測試工作，難度相當大。

本工程岔管勘察采用一孔多用的方法，勘探程序主要是造孔→孔內數字成像及聲波測試→高壓壓水試驗→地應力測試→有害氣體及放射性檢測。

(1)勘探鉆孔深度達400多米，造孔時間長，隨著孔深的加大，各種意想不到的孔內事故容易發生，操作不當就會前功盡棄。

(2)孔內數字成像采用電纜連接的探頭送入到孔中，需要電纜長度較大，探頭易被孔壁探頭石卡住，導致電纜斷開而使探頭掉入孔中。

(3)高壓壓水試驗及地應力測試工作是本次岔管勘察中最難的一項工作，試驗最大壓力近10 MPa，長時間高壓試驗運行，對栓塞、高壓膠管、電機、水泵等材料、設備都是嚴峻的考驗，材料及設備易出現疲勞、破損等現象，嚴重時會導致試驗失敗。

3 高壓壓水試驗

3.1 試驗試段劃分的方法

高壓壓水試驗試段劃分及栓塞位置的選取是保證試驗成功的重要環節之一。

試驗鉆孔地面高程557.34 m，實際孔深433.80 m，高壓岔管中心線高程139.54 m。原則上大致在岔管中心線上下各進行3段高壓壓水試驗，試段劃分與常規壓水試驗基本相同，5 m左右1段。

具體步驟如下:

(1)根據鉆孔巖芯劃分試段。根據鉆孔巖芯RQD及節理裂隙統計情況，可直接了解到試段部位巖體的完整程度，初步進行試段的劃分。

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(2)利用孔內物探測試劃分試段。在試驗鉆孔中進行孔內聲波測試及數字成像工作，并通過物探測試與巖芯編錄對比，綜合劃分出試段，并明確試驗栓塞的位置。

最終在孔底以上30 m，即岔管中心線上下各15 m范圍內確定6段高壓壓水試驗，每段段長4.95 m;此外，根據鉆孔巖芯編錄情況，結合孔內數字成像，選擇高程178.34～173.39 m可能通過高壓管的斷層破碎帶巖體進行1段高壓壓水試驗，最后確定7段高壓壓水試段。其中第五段、第七段(f46斷層破碎帶)采用4個循環，其余5段采用單循環進行高壓壓水試驗。

具體各段基本地質特征詳見表1，試段及塞位詳見表2。

表2 試段及塞位一覽表Table 2 List for the test segments and embolism position

3.2 試驗過程中問題的處理

高壓壓水試驗的特點是試驗水壓力大、時間長、循環多等，試驗過程中自動記錄儀、流量計、電機、栓塞等設備出現過各種各樣的問題，需要地質值班人員、鉆探人員在試驗室認真巡視檢查，做好記錄，對出現的各種各樣的問題及時進行處理。例如:

(1)第二段壓水過程中，發現智能流量計與自動記錄儀在小流量時相差約5 L，即5 L/min以下流量記錄儀無反應，故重新校正流量后重新開始試驗。

(2)第六段壓水試驗7 MPa時流量達到35 L/min，而該段巖石較完整，從前五段試驗情況來看，7 MPa時穩定流量多較小，最大為6.72 L/min，分析認為試驗屬于反常，可能壓水管路系統出現問題。經逐項排查發現，栓塞的“O”型密封圈損壞。

3.3 試驗成果

各段高壓壓水試驗成果詳見表3。

從表3可以看出，高壓岔管部位完整—較完整巖體劈裂后最大試驗壓力下的透水率與巖體RQD、節理發育程度、巖體完整性系數基本存在如下關系:

(2)巖體透水率q'與巖體完整性系數KV的關系。KV值越大，q'值越小，但第二段除外。

(3)巖體透水率q'與節理傾角及結構面性狀的關系。巖體透水率q'與節理傾角及張開寬度關系比較大。緩傾角節理多呈閉合狀態，透水率一般較小，如第一、二試段巖體透水率僅為0.28 Lu和0.35 Lu;陡傾角節理多微張，巖體透水率一般相對較大，如第四、五、六試段巖體透水率為 0.64 Lu、0.99 Lu、1.42 Lu。

(4)巖體透水率q'與深度的關系。試驗深度范圍內，巖體的透水率q'隨著深度的增加而減小。

(5)最大主應力方向和節理走向夾角與巖體透水率q'的關系。巖體的透水率q'隨著夾角的增大而減小。

表3 高壓壓水試驗成果匯總表Table 3 The results summary for the high water-pressure test

4 地應力測試

為查明高壓岔管部位的圍巖原始地應力大小和方向，在高壓壓水試驗鉆孔中進行了水壓致裂地應力測試。時間上是在高壓壓水試驗全部結束后進行的。地應力測試自下而上逐段進行，成功進行了水壓致裂法地應力測試8個點，應力方向測試3個點。試驗結果詳見表4。

根據ZK181的地應力測試結果，可以得到以下幾點認識和結論:

(1)ZK181孔中，共成功進行了8段地應力測試。其中，絕大部分測試曲線形態完整，且各回次的重復性好，各壓裂參數明確，為準確把握測點處的地應力狀態提供了保證。

表4 ZK181孔水壓致裂原地應力測量結果［2］Table 4 The measuring results for original ground stresses of cracks caused by water pressure of ZK181 hole

(2)高壓岔管部位最大水平主應力為14.96～16.41 MPa，最小水平主應力為 9.80 ～10.60 MPa，用上覆巖層容重(2.65 g/cm3)估算的垂直應力約為10.48～11.13 MPa。

(3)三項主應力的關系:本孔測試深度域內的垂直應力SV為中間主應力，即SH＞SV＞Sh。

(4)水平主應力方向:本孔在3個壓裂段內進行了印模定向。最大水平主應力優勢方向為近東西向(N77°E-N81°W)。

(5)關于巖石的水壓致裂抗張強度。該孔花崗巖比較完整，試驗得到其水壓致裂抗張強度為3.1～8.1 MPa。

(6)最小主應力大于高壓岔管所承受的最大內水壓力約7 MPa，有利于高壓岔管部位的穩定運行。

5 結語

(1)荒溝抽水蓄能電站輸水隧洞高壓岔管工程地質勘察采用鉆探、鉆孔內數字成像及聲波測試、高壓壓水試驗、地應力測試、有害氣體及放射性檢測等多種工程地質勘察方法，獲得了豐富的地質資料，達到了預期的地質勘察效果。

(2)輸水隧洞高壓岔管埋深大，工程地質勘察較為困難，但通過采用一孔多用、科學有效的工程地質勘察方法，查明了深埋高壓岔管部位的工程地質條件，并作出客觀的工程地質條件評價，對高壓岔管的設計方案提供了充分依據。為將來類似工程地質勘察積累了經驗。

［1］ 楊宗玲.荒溝抽水蓄能電站輸水隧洞高壓岔管高壓壓水試驗報告［R］.長春:中水東北勘測設計研究有限責任公司，2012.

［2］ 劉錄君.荒溝抽水蓄能電站輸水隧洞高壓岔管補充工程地質勘察報告［R］.長春:中水東北勘測設計研究有限責任公司，2012.