李 林, 邓争荣

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010)

钻孔压水试验采用欧洲标准工程实践
——以安哥拉卡古路卡巴萨水电站为例

李 林, 邓争荣

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010)

以非洲安哥拉卡古路卡巴萨水电站为例,介绍欧洲压水规范基本规定、测试过程以及压水试验数据处理等,并就欧洲钻孔压水试验用于大坝防渗设计与中国大坝防渗设计差异进行讨论,指出存在的一些问题,并提出一种新的钻孔压水试验方法。

压水试验;欧洲标准;岩体透水率;吕荣值;水电站

经过几十年的发展,中国筑坝技术已达到世界先进水平。随着中国经济的高速发展,越来越多的中国水电企业走出国门,承接了许多国外水电开发项目。相比较中国水电企业走出国门而言,中国水电技术标准走出去的步伐相对滞后,受语言、历史等多方面因素影响,国外项目业主大多明确要求执行欧美标准。在实际工作中,这就要求我们学习欧美规范,比对中外规范的差异,更好地服务于工程实践。拟开发的安哥拉卡古路卡巴萨水电站由中国企业承建,项目业主要求,项目需执行欧美工程技术标准。

1 工程背景

安哥拉卡古路卡巴萨水电站(简称“卡卡水电站”)位于安哥拉马兰热高原西侧宽扎河中段，宽扎河附近地形起伏跌宕，相对高差达100～150 m，致使宽扎河形成瀑布与急流，水力资源丰富。卡卡水电站拟采用碾压混凝土重力坝，初拟正常蓄水位630 m，总库容4.36亿m3，最大坝高103 m，电站装机2 172 MW，多年平均发电量8 566 GWh。

工程区位于稳定的非洲大陆板块内霍斯特地块，西距大西洋洋脊约1 800 km，东距东非大裂谷带约800 km。工程区出露元古界和下太古界地层，坝址区岩性主要为下太古界(Ar1)片麻岩，局部出露下元古界(γPt1)花岗岩，呈点状分布。

安哥拉历史地震数据表明其境内地震活动微弱，强震发生的频率极低，工程场址区及附近周边历史上无较强地震记录，不存在令人担忧的地震。有地震记录，自1941年以来工程区周围200 km以内未发生过>4级的地震，地震强度非常低。项目所在地安哥拉大部分地区50年内超越概率10%的地震动加速度(PGA)>0.02g，工程区构造稳定性好[1]。

2 欧洲标准基本规定[2]

2.1 规范名称

英国编制的钻孔压水试验规范英文名称为《Geotechnical investigation and testing—Geohydraulic(part3:water pressure tests in rock)》(BS EN ISO 22282—3:2012),简称“WPT”,由欧洲标准委员会(CEN)发布,在32个欧盟成员国执行。

2.2 主要设备及基本要求

WPT介绍的主要设备有:加压水泵、水量控制阀、压力表、流量表、单塞(双塞)分隔器、压缩气体系统及配套的压力控制设备以及数据自动记录系统。根据试验数据采集方法的不同,分手动记录和自动记录两种,自动记录需配备数据自动记录系统。

每次测试前,需对压力表和流量表进行校验,确认准确无误后,方可用于试验测试。若采用手动记录,应该分别安装两套不同量程的压力表和流量表。若采用自动记录系统,应配备可视化的自动记录系统。且所有量测设备按照本规范总则要求进行校准,系统的压力损失也应进行测试。

水泵最大泵量至少达150 L/min,最大压力至少达1.5 MPa,试验过程中,需确保压力变幅在3%以内。

流量表选择应合适量程,通常配备两种不同量程流量表是必要的。一般大量程流量表最大量程需达到100 L/min,最小刻度为2 L/min;较小量程流量表的最大量程需达到10 L/min,最小刻度为0.5 L/min。

胶塞分隔器的长度应≥10倍孔径,且≥0.5 m,能承受的最大压力至少为拟测最大压力的1.3倍。

对照组患者术后给予常规护理,包括:跟患者介绍周围的环境,讲解手术后可能出现的不良反应,跟患者说明用药方法,介绍一些常规检查,常规的输液以及相应检查项目的用处,日常饮食的要求[3]等。

2.3 测试过程

试验过程中,需记录某个时间段的流量Q和对应时间段的水压力P,且压力值与流量值一一对应。

测试过程中,就相对压力值而言,流量大幅增加,可能的原因是岩石被水压裂或胶塞止水出现故障。若压力较大幅度增加,而流量未明显地增加,表明钻孔试段部位周围可能存在暗流。

测试过程中,确保压力和流量值保持相对稳定,每个阶段至少持续10 min且满足前后两次读数之差≤5%,或测试30 min方可结束。

采用自动记录,应至少每5 s记录一次读数;采用手动记录,至少每分钟记录一次读数,且压力表至孔口段配管长度应<30 m,以确保管路系统压力损失保持在合理区间。如果采用压力传感器自动记录压力,需另安装一个压力表校验。

3 欧洲标准钻孔压水试验实践

3.1 试验压力

WPT未对试验压力进行要求,仅对试验过程采用三级压力五个阶段进行了规定,现行欧洲压水试验试验压力随试段埋深不同而不同,就卡卡水电站而言,钻孔压水试验各试段压力值据其埋深确定[3],计算公式如下:

Pmax=0.0125×Z

式中:Pmax为试段最大压力,单位为MPa;Z为试验试段顶部至孔口之间的高差,单位为m。

对应三级压力分别为1/4Pmax、1/2Pmax、Pmax,五阶段压力值依次为1/4Pmax、1/2Pmax、Pmax、1/2Pmax、1/4Pmax。

以卡卡水电站右坝肩S502斜孔为例,各试段测试压力值见表1,S502斜钻孔位于右坝肩处,设计方位角26°,斜角50°。

3.2 吕荣值计算及代表性吕荣值的选取

中欧规范吕荣值计算公式一致。

据Houlsby研究[4],将压水试段分为层流型、紊流型、扩张型、冲蚀型和填充型等五种类型。之后于1985年、1990年进行了补充,提出了层流型、紊流型、扩张型、冲蚀型、填充型、紊流—冲蚀型、紊流—填充型、扩张—冲蚀型、扩张—填充型九种类型。

表1 S502各段试验压力试验值汇总表

WPT仅对Steiner et.Al的九种类型进行了介绍,但未说明其代表性吕荣值与试段类型之间的关系。据Houlsby的研究,代表性吕荣值取值法则见表2。

3.3 压水试验成果

以卡卡水电站S502斜钻孔10.0～15.0 m段压水试验为例,五阶段压力值分别为25 kPa、50 kPa、100 kPa、50 kPa、25 kPa,压水试验测试数据见表3,试验成果计算见表4。

根据试验记录成果计算,绘制压力P与平均流速V曲线,见图1,吕荣模式见图2。

从图1 可知,压力与流速呈反比,当压力越大,渗透流速越小,反之压力越小,渗透流速越大。

从图2可知,本段属紊流型,代表性压水试验吕荣值为第三阶段吕荣值,即0.56 Lu。

4 试验成果用于坝基防渗依据的讨论

在研究岩体渗透性方面,压水试验是一种简单、有效的方法。国内外均将其成果作为大坝防渗设计的依据。

据中国大坝防渗设计标准[5],大坝帷幕防渗依据不同坝高而选用不同的吕荣值。WPT钻孔压水试验各试段压力值随试段埋深呈正比,代表性吕荣值根据前述法则选取;中国规范[6]采用固定压力值,最大测试压力为1.0 MPa,代表性吕荣值选用压力值为1.0 MPa对应的吕荣值q。

表2 吕荣值取值法则

表3 S502钻孔10.0～15.0 m段压水试验记录表

随着水利发电技术的发展,世界上涌现了一大批高坝、超高坝,如位于中国四川省境内的锦屏一级水电站,大坝高305 m,是目前世界第一高水坝;而现今世界上已建和在建坝高≥100 m的大坝有888座[7]。而且对同一大坝而言,一般河床部位承受的水头最大,两岸随着岸坡高程升高,水头逐渐变小。

一般基岩坝基防渗深度30～50 m,若采用WPT,最大测试压力值仅0.5 MPa,且试验试段埋深越浅,最大压力值越小,而坝基部位水头远大于测试压力值;随着岩体埋深的增大,考虑水压力折减作用,实际情况是岩体埋藏越深,透水率越小。

而据中国规范,对坝高100 m左右的大坝而言,规范要求的1.0 MPa的压力值与水库水头较为吻合,较好地拟合了实际情况,但对一些超高水坝,试验压力值亦明显不能代表河床附近部位承受的水头。在压水试验吕荣值q取值方面,欧洲现行做法考虑了岩体裂隙各种情况,与复杂地质体情况更为接近,优于中国规范的取值。

表4 S502钻孔10.0～15.0 m段压水试验成果计算表

注:地下水至孔口距离为-2.5 m;钻孔孔径为110 mm。

图1 S502钻孔10.0～15.0 m段压水试验压力—流速曲线图Fig.1 Pressure-velocity curves of water pressure test result of S502 drilling at the deep 10.0～15.0 m

图2 S502钻孔10.0～15.0 m段压水试验吕荣模式图Fig.2 Lyu Rong’s mode chart of water pressure test result of S502 drilling at the deep 10.0～15.0 m

通过对比,中欧压水试验各有优缺点,由此,笔者提出另一种钻孔压水试验方案,以期能更好地体现大坝正常运营时期坝基不同部位吕荣值q,即压水试验最大压力值宜按各测试钻孔处水头大小确定:

Pmax=H-h

式中:H为正常蓄水位高程;h为钻孔基岩面顶板高程;

且最大压力值Pmax≥0.5 MPa,若按上述公式计算压力值<0.5 MPa,试验最大压力值Pmax取0.5 MPa,因受压力表、流量表等仪器精度影响,测量值越小,误差越大。且单个钻孔各试段测试压力值保持固定不变。代表性吕荣值按表3取值。

5 结语

通过对欧洲压水试验标准的学习和实践,并与中国压水规范进行对比发现,现行中欧钻孔压水试验在研究坝基岩体渗透性方面存在一些不足。笔者在中欧压水试验规范基础上,提出另一种压水试验方法,真实地反应水库正常运营时期坝基岩体渗透特性,能更好地用于大坝防渗设计。

这一方法较好地适合裂隙性岩体的渗透特性,而对于一些特殊地质体,如发育管道型岩溶、较大规模的软弱构造带等,上述研究内容考虑还全面。下一步,将对上述三种压水试验方法用于大坝坝基岩体渗透性展开深入地研究。

[1] 卡古路卡巴萨项目可行性研究技术报告[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 Cabaça Volume3,COBA Caderno de encargos Cláusulas Técnicas[S].

[5] 国家电力公司华东勘测设计研究院.混凝土重力坝设计规范:DL5108—1999[S].北京:中国电力出版社,1999.

[6] 周光辉,张明林,陆飞,等.水电水利工程钻孔压水试验规程:DL/T 5331—2005[S].北京:中国电力出版社,2005.

[7] 周虹.世界水库大坝建设与水电开发概况(一)[N].中国能源报,2015-04-06(16).

(责任编辑：陈文宝)

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,工程师,工程地质专业,从事水利水电工程地质、岩土工程勘察工作。E-mail:280204887@qq.com

TV543+.16

A

1671-1211(2016)03-0311-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.015

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.004.html 数字出版日期:2016-05-30 09:37