鉆孔壓水試驗采用歐洲標準工程實踐
——以安哥拉卡古路卡巴薩水電站為例

李 林, 鄧爭榮

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢 430010)

鉆孔壓水試驗采用歐洲標準工程實踐
——以安哥拉卡古路卡巴薩水電站為例

李 林, 鄧爭榮

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢 430010)

以非洲安哥拉卡古路卡巴薩水電站為例,介紹歐洲壓水規范基本規定、測試過程以及壓水試驗數據處理等,并就歐洲鉆孔壓水試驗用于大壩防滲設計與中國大壩防滲設計差異進行討論,指出存在的一些問題,并提出一種新的鉆孔壓水試驗方法。

壓水試驗;歐洲標準;巖體透水率;呂榮值;水電站

經過幾十年的發展,中國筑壩技術已達到世界先進水平。隨著中國經濟的高速發展,越來越多的中國水電企業走出國門,承接了許多國外水電開發項目。相比較中國水電企業走出國門而言,中國水電技術標準走出去的步伐相對滯后,受語言、歷史等多方面因素影響,國外項目業主大多明確要求執行歐美標準。在實際工作中,這就要求我們學習歐美規范,比對中外規范的差異,更好地服務于工程實踐。擬開發的安哥拉卡古路卡巴薩水電站由中國企業承建,項目業主要求,項目需執行歐美工程技術標準。

1 工程背景

安哥拉卡古路卡巴薩水電站(簡稱“卡卡水電站”)位于安哥拉馬蘭熱高原西側寬扎河中段，寬扎河附近地形起伏跌宕，相對高差達100～150 m，致使寬扎河形成瀑布與急流，水力資源豐富。卡卡水電站擬采用碾壓混凝土重力壩，初擬正常蓄水位630 m，總庫容4.36億m3，最大壩高103 m，電站裝機2 172 MW，多年平均發電量8 566 GWh。

工程區位于穩定的非洲大陸板塊內霍斯特地塊，西距大西洋洋脊約1 800 km，東距東非大裂谷帶約800 km。工程區出露元古界和下太古界地層，壩址區巖性主要為下太古界(Ar1)片麻巖，局部出露下元古界(γPt1)花崗巖，呈點狀分布。

安哥拉歷史地震數據表明其境內地震活動微弱，強震發生的頻率極低，工程場址區及附近周邊歷史上無較強地震記錄，不存在令人擔憂的地震。有地震記錄，自1941年以來工程區周圍200 km以內未發生過>4級的地震，地震強度非常低。項目所在地安哥拉大部分地區50年內超越概率10%的地震動加速度(PGA)>0.02g，工程區構造穩定性好[1]。

2 歐洲標準基本規定[2]

2.1 規范名稱

英國編制的鉆孔壓水試驗規范英文名稱為《Geotechnical investigation and testing—Geohydraulic(part3:water pressure tests in rock)》(BS EN ISO 22282—3:2012),簡稱“WPT”,由歐洲標準委員會(CEN)發布,在32個歐盟成員國執行。

2.2 主要設備及基本要求

WPT介紹的主要設備有:加壓水泵、水量控制閥、壓力表、流量表、單塞(雙塞)分隔器、壓縮氣體系統及配套的壓力控制設備以及數據自動記錄系統。根據試驗數據采集方法的不同,分手動記錄和自動記錄兩種,自動記錄需配備數據自動記錄系統。

每次測試前,需對壓力表和流量表進行校驗,確認準確無誤后,方可用于試驗測試。若采用手動記錄,應該分別安裝兩套不同量程的壓力表和流量表。若采用自動記錄系統,應配備可視化的自動記錄系統。且所有量測設備按照本規范總則要求進行校準,系統的壓力損失也應進行測試。

水泵最大泵量至少達150 L/min,最大壓力至少達1.5 MPa,試驗過程中,需確保壓力變幅在3%以內。

流量表選擇應合適量程,通常配備兩種不同量程流量表是必要的。一般大量程流量表最大量程需達到100 L/min,最小刻度為2 L/min;較小量程流量表的最大量程需達到10 L/min,最小刻度為0.5 L/min。

膠塞分隔器的長度應≥10倍孔徑,且≥0.5 m,能承受的最大壓力至少為擬測最大壓力的1.3倍。

對照組患者術后給予常規護理,包括:跟患者介紹周圍的環境,講解手術后可能出現的不良反應,跟患者說明用藥方法,介紹一些常規檢查,常規的輸液以及相應檢查項目的用處,日常飲食的要求[3]等。

2.3 測試過程

試驗過程中,需記錄某個時間段的流量Q和對應時間段的水壓力P,且壓力值與流量值一一對應。

測試過程中,就相對壓力值而言,流量大幅增加,可能的原因是巖石被水壓裂或膠塞止水出現故障。若壓力較大幅度增加,而流量未明顯地增加,表明鉆孔試段部位周圍可能存在暗流。

測試過程中,確保壓力和流量值保持相對穩定,每個階段至少持續10 min且滿足前后兩次讀數之差≤5%,或測試30 min方可結束。

采用自動記錄,應至少每5 s記錄一次讀數;采用手動記錄,至少每分鐘記錄一次讀數,且壓力表至孔口段配管長度應<30 m,以確保管路系統壓力損失保持在合理區間。如果采用壓力傳感器自動記錄壓力,需另安裝一個壓力表校驗。

3 歐洲標準鉆孔壓水試驗實踐

3.1 試驗壓力

WPT未對試驗壓力進行要求,僅對試驗過程采用三級壓力五個階段進行了規定,現行歐洲壓水試驗試驗壓力隨試段埋深不同而不同,就卡卡水電站而言,鉆孔壓水試驗各試段壓力值據其埋深確定[3],計算公式如下:

Pmax=0.0125×Z

式中:Pmax為試段最大壓力,單位為MPa;Z為試驗試段頂部至孔口之間的高差,單位為m。

對應三級壓力分別為1/4Pmax、1/2Pmax、Pmax,五階段壓力值依次為1/4Pmax、1/2Pmax、Pmax、1/2Pmax、1/4Pmax。

以卡卡水電站右壩肩S502斜孔為例,各試段測試壓力值見表1,S502斜鉆孔位于右壩肩處,設計方位角26°,斜角50°。

3.2 呂榮值計算及代表性呂榮值的選取

中歐規范呂榮值計算公式一致。

據Houlsby研究[4],將壓水試段分為層流型、紊流型、擴張型、沖蝕型和填充型等五種類型。之后于1985年、1990年進行了補充,提出了層流型、紊流型、擴張型、沖蝕型、填充型、紊流—沖蝕型、紊流—填充型、擴張—沖蝕型、擴張—填充型九種類型。

表1 S502各段試驗壓力試驗值匯總表

WPT僅對Steiner et.Al的九種類型進行了介紹,但未說明其代表性呂榮值與試段類型之間的關系。據Houlsby的研究,代表性呂榮值取值法則見表2。

3.3 壓水試驗成果

以卡卡水電站S502斜鉆孔10.0～15.0 m段壓水試驗為例,五階段壓力值分別為25 kPa、50 kPa、100 kPa、50 kPa、25 kPa,壓水試驗測試數據見表3,試驗成果計算見表4。

根據試驗記錄成果計算,繪制壓力P與平均流速V曲線,見圖1,呂榮模式見圖2。

從圖1 可知,壓力與流速呈反比,當壓力越大,滲透流速越小,反之壓力越小,滲透流速越大。

從圖2可知,本段屬紊流型,代表性壓水試驗呂榮值為第三階段呂榮值,即0.56 Lu。

4 試驗成果用于壩基防滲依據的討論

在研究巖體滲透性方面,壓水試驗是一種簡單、有效的方法。國內外均將其成果作為大壩防滲設計的依據。

據中國大壩防滲設計標準[5],大壩帷幕防滲依據不同壩高而選用不同的呂榮值。WPT鉆孔壓水試驗各試段壓力值隨試段埋深呈正比,代表性呂榮值根據前述法則選取;中國規范[6]采用固定壓力值,最大測試壓力為1.0 MPa,代表性呂榮值選用壓力值為1.0 MPa對應的呂榮值q。

表2 呂榮值取值法則

表3 S502鉆孔10.0～15.0 m段壓水試驗記錄表

隨著水利發電技術的發展,世界上涌現了一大批高壩、超高壩,如位于中國四川省境內的錦屏一級水電站,大壩高305 m,是目前世界第一高水壩;而現今世界上已建和在建壩高≥100 m的大壩有888座[7]。而且對同一大壩而言,一般河床部位承受的水頭最大,兩岸隨著岸坡高程升高,水頭逐漸變小。

一般基巖壩基防滲深度30～50 m,若采用WPT,最大測試壓力值僅0.5 MPa,且試驗試段埋深越淺,最大壓力值越小,而壩基部位水頭遠大于測試壓力值;隨著巖體埋深的增大,考慮水壓力折減作用,實際情況是巖體埋藏越深,透水率越小。

而據中國規范,對壩高100 m左右的大壩而言,規范要求的1.0 MPa的壓力值與水庫水頭較為吻合,較好地擬合了實際情況,但對一些超高水壩,試驗壓力值亦明顯不能代表河床附近部位承受的水頭。在壓水試驗呂榮值q取值方面,歐洲現行做法考慮了巖體裂隙各種情況,與復雜地質體情況更為接近,優于中國規范的取值。

表4 S502鉆孔10.0～15.0 m段壓水試驗成果計算表

注:地下水至孔口距離為-2.5 m;鉆孔孔徑為110 mm。

圖1 S502鉆孔10.0～15.0 m段壓水試驗壓力—流速曲線圖Fig.1 Pressure-velocity curves of water pressure test result of S502 drilling at the deep 10.0～15.0 m

圖2 S502鉆孔10.0～15.0 m段壓水試驗呂榮模式圖Fig.2 Lyu Rong’s mode chart of water pressure test result of S502 drilling at the deep 10.0～15.0 m

通過對比,中歐壓水試驗各有優缺點,由此,筆者提出另一種鉆孔壓水試驗方案,以期能更好地體現大壩正常運營時期壩基不同部位呂榮值q,即壓水試驗最大壓力值宜按各測試鉆孔處水頭大小確定:

Pmax=H-h

式中:H為正常蓄水位高程;h為鉆孔基巖面頂板高程;

且最大壓力值Pmax≥0.5 MPa,若按上述公式計算壓力值<0.5 MPa,試驗最大壓力值Pmax取0.5 MPa,因受壓力表、流量表等儀器精度影響,測量值越小,誤差越大。且單個鉆孔各試段測試壓力值保持固定不變。代表性呂榮值按表3取值。

5 結語

通過對歐洲壓水試驗標準的學習和實踐,并與中國壓水規范進行對比發現,現行中歐鉆孔壓水試驗在研究壩基巖體滲透性方面存在一些不足。筆者在中歐壓水試驗規范基礎上,提出另一種壓水試驗方法,真實地反應水庫正常運營時期壩基巖體滲透特性,能更好地用于大壩防滲設計。

這一方法較好地適合裂隙性巖體的滲透特性,而對于一些特殊地質體,如發育管道型巖溶、較大規模的軟弱構造帶等,上述研究內容考慮還全面。下一步,將對上述三種壓水試驗方法用于大壩壩基巖體滲透性展開深入地研究。

[1] 卡古路卡巴薩項目可行性研究技術報告[R].Intertechne,Luanda:Consullores S.A,2012.

[2] Geotechnical investigation and testing——Geohydraulic,BS EN ISO 22282-3:2012[S].

[3] Aproveitamento Hidroeléctrico de Caculo Caba?a Volume3,COBA Caderno de encargos Cláusulas Técnicas[S].

[5] 國家電力公司華東勘測設計研究院.混凝土重力壩設計規范:DL5108—1999[S].北京:中國電力出版社,1999.

[6] 周光輝,張明林,陸飛,等.水電水利工程鉆孔壓水試驗規程:DL/T 5331—2005[S].北京:中國電力出版社,2005.

[7] 周虹.世界水庫大壩建設與水電開發概況(一)[N].中國能源報,2015-04-06(16).

(責任編輯：陳文寶)

Engineering Practice of Drilling Pressure Water Test by European Standard

LI Lin, DENG Zhengrong

(ChangjiangGeotechnicalEngenneringCorporation(Wuhan),Wuhan,Hubei430010)

More and more Chinese hydropower enterprises go out of the country,many project owners is required to implement the standards of Europe and the United States,which requires engineers to need to standardize the Europe and the United States to study,compare them,in order to better service to engineering practice. In the case of Kago Luca Barcelona hydropower station in Africa,the paper introduce basic specification requirements of the pressurized water in European,testing process and water pressure test data processing. The differences between the design of the dam seepage control design in European and the design of seepage control in China are discussed,and some problems are pointed out,and a new method for the test of drilling pressure is put forward.

water pressure test; European standard; permeable rate of rock mass; Lyu Rong’s value; hydropower station

2016-05-16;改回日期:2016-05-24

李林(1983-),男,工程師,工程地質專業,從事水利水電工程地質、巖土工程勘察工作。E-mail:280204887@qq.com

TV543+.16

A

1671-1211(2016)03-0311-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.015

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.004.html 數字出版日期:2016-05-30 09:37