DG水电站F3缓倾断层原位高压渗透试验分析
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2020年第11期2020Number11水电与新能源
HYDROPOWERANDNEWENERGY第34卷
Vol.34
DOI:10.13622/j.cnki.cn42-1800/tv.1671-3354.2020.11.003
收稿日期:2020-09-25
作者简介:张德强,男,工程师,主要从事水电岩土工程勘察设计方面的工作。
DG水电站F3缓倾断层原位高压渗透试验分析
张德强1,孙兴伟1,王敬勇1,罗 文1,姜宏军1,朱瑞晨1,陈 亮2
(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州 311122;2.华电西藏能源有限公司大古水电分公司,西藏山南 856000)
摘要:DG水电站右岸出露的F3断层纵贯坝址区上下游,延伸长,且断层带内有断层泥、岩屑等细颗粒物质,存在渗透问
题。
为获得高压水头作用下断层结构面的渗透特性、渗透稳定性及结构面张开压力的可靠数据,通过对F3断层带进行现场原位高压渗透试验,分析F3断层发生渗透破坏的水力坡降,总结出渗透破坏规律,为设计提出了渗透破坏允许水力坡降的建议值。
关键词:水电站;断层;高压渗透试验;渗透破坏;水力坡降
中图分类号:TV223.6 文献标志码:A 文章编号:1671-3354(2020)11-0012-08
AnalysisoftheIn situHighPressurePermeabilityTestof
F3GentlyInclinedFaultinDGHydropowerStationProject
ZHANGDeqiang1,SUNXingwei1,WANGJingyong1,LUOWen1,JIANGHongjun1,ZHURuichen1,CHENLiang
2
(1.PowerchinaHuadongEngineeringCo.,Ltd.,Hangzhou311122,China;2.DGHydropowerBranch,HuadianXizangEnergyCo.,Ltd.,Shannan856000,China)
Abstract:AlongpenetratingfaultF3isoutcroppedontherightbankoftheDGhydropowerstation,whichmayleadtoseepageproblemsduetothefine grainedmaterialssuchasfaultmudandcuttingsinthefaultzone.Togetreliabledataoftheseepagecharacteristics,seepagestabilityandopeningpressureofthestructuralplanesunderhighwaterpressures,in situhighpressurepermeabilitytestiscarriedoutintheF3faultzone.Thehydraulicgradientvaluewhenseepagefail ureoccursisdetermined.Then,theallowablehydraulicgradientvalueagainstseepagefailureisrecommended.Keywords:hydropowerstation;fault;highpressurepermeabilitytest;seepagefailure;hydraulicgradient 西藏D
G水电站位于YLZBJ木峡谷中段,设计正常蓄水位为3447m,相应库容0.5528亿m3,挡水坝
为混凝土重力坝,最大坝高118m。
电站采用右岸坝后式地面厂房,装机容量660MW,多年平均发电量为32.045亿kWh。
坝址区两岸地形完整,左岸稍缓,右岸稍陡,地表多基岩裸露,岩性为黑云母花岗闪长岩,局部间夹黑云母角闪石英闪长岩脉,弱风化为主。
坝址构造发育,主要构造有断层、节理等。
共发育Ⅱ级结构面6条,Ⅲ级结构面25条,Ⅳ级结构面21条,主要以NNW、NNE向为主,多为陡倾角结构面,带内一般由碎块岩、碎裂岩、岩屑及少量泥膜组成。
其中F
3断层发育在坝址区右岸山坡下部,走向与河道夹角小,断层产状为:N30°~
50°E/SE∠25°~35°,为压性断层,坝基范围内断层宽度为0.5~1.5m,地表出露部位强卸荷区断层带影响
宽度达1.5~1.5m,断层带内为碎块岩、碎裂岩、岩屑充填,下盘面有厚约1cm断层泥,连续分布,上盘面断层泥分布不连续,带内岩体破碎、呈强风化,贯穿右岸坝址区上下游,见图1,是右岸坝基范围内影响坝基渗漏及可能出现渗透破坏的主要缓倾角结构面。
1 渗透试验布置及试验方法
1.1 试验目的和内容
由于F3断层纵贯坝址右岸,延伸长,沟通了大坝上下游,且断层带内有断层泥、岩屑等细颗粒物质,存在渗透稳定问题。
对F3断层的水理性质研究十分必
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月
图1 F3断层在大坝基坑及边坡内出露迹线图
要,通过研究判断帷幕灌浆防渗处理措施是否能达到防止渗透破坏的目的,是否有必要采取进一步的处理措施。
在软弱岩体渗透特性的研究方面,室内小尺度试验针对性往往不强,原位渗透试验是通常采用的主
要研究手段[1]。
岩体的渗透特性主要受结构面控制,但是在高压水头作用下结构面的渗透特性、渗透稳定性及结构面张开压力缺乏可靠的数值,为此需进行结构面原位高压渗透试验。
通过对F3断层带进行原位高压渗透试验,分析F3断层发生渗透破坏的水力坡降,总结出渗透破坏规律,提出渗透破坏允许水力坡降建议值,为设计取值提供试验依据。
主要包括以下内容:
1)渗透性,取得P~Q和Q~t关系曲线;2)临界水力梯度和破坏水力梯度;3)结构面临界张开压力。
最高试验压力:以建筑物运行水头的1.2倍作为最高试验压力下限,本试验取最高水头为102m。
试验主要依据《水电水利工程钻孔压水试验规程》(DL/
T5331-2018)[2]进行。
1.2 试验方案及方法1.2.1 试验方案
在大坝右岸帷幕灌浆廊道内,沿F3断层的走向和倾向各布置一组试验孔,每组试验孔由3个孔组成,共6个孔(F3-1~F3-6孔),其中1孔为试验孔,另2个孔为监测孔,监测孔内用2只水下压力传感器进行
孔内全孔渗隙水渗透压力测量。
沿断层倾向布置的试验孔,
F3-1、F3-2、F3-3间距各为5.0m。
沿断层近走向布置的试验孔,
F3-4~F3-5为3.05m,F3-4~F3-6为2.5m,孔位布置图见图2。
采用单循环逐级加压法。
1)试验压力分级。
分为0.2、0.4、0.6、0.8…3.0MPa,试验最大压力达到3MPa以及发生渗透破坏控制。
2)流量观测工作。
采用数字记录仪每隔5s自动采集记录一次,连续5min,当流量无持续增大趋势,且5min流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差小于1L/min时,该级压力下试验即可结束,取最终值作为计算值。
若不能满足上述条件则需继续观测,直到满足条件为止。
当断层、岩体裂隙张开,渗透流量达到最大泵量或达到最高试验压力时终止加压,然后逐级退压,按每级压力维持5min,每隔5s自动采集记录一次。
至压力退零完成一个循环试验。
1.2.2 试验方法
采用最高压6MPa、最大输出流量103L/min的高压水泵供水,试验孔内采用1只(或2只)高压橡胶柱塞及1台水泵施压来封隔试验段。
用2只不同量程的流量传感器,配1台流量数字记录仪来量测流量,用1只压力传感器接在地面管路上来测定孔口水压力,用1只水下压力传感器连接在封隔器上来进行试验段压力测量,配2台数字记录仪自动记录压力测量值。
试验工作管为 32mm无缝钢管;配备相应的高压软
水电与新能源2020年第11期
管、阀门和蓄水桶,组成整套试验系统,系统示意图见图3。
采用高清钻孔电视仪对试验孔进行全孔摄像和
现场观察。
用1至2只水下压力传感器进行监测孔内
岩体孔隙水渗透压力测量。
图2
在帷幕灌浆廊道内试验孔布置情况图
图3 钻孔高压压水(渗透)试验系统示意图(地表部分)
2 渗透试验成果
渗透试验按两组进行,ST1组试验点包括F3-1~
F3-3孔,ST2组试验点包括F3-4~F3-6。
其中,ST1组进行了2种工况下的原位渗透试验,ST2组进行了3种工况下的原位渗透试验。
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2.1 ST1组试验
1)工况1。
在F3-1孔进行压水渗透试验,试验段位于断层部位,在F
3-2孔进行渗压监测;在F3-3孔进行孔内电视观察。
试验采用快速法进行了两个循环试验。
试验段压力-流量-时间关系曲线见图4和图5,试验段压力-流量关系曲线见图6。
图4 F3-1孔第一循环压力-流量-
时间关系曲线图
图5 F3-1孔第二循环压力-流量-
时间关系曲线图
图6 F3-1孔试验段压力-流量关系曲线图
2)工况2。
在F3-2孔进行压水渗透试验,试验段位于断层部位;在F3-1孔进行渗压监测;在F3-3
孔进行孔内电视观察。
试验采用快速法进行了两个循环试验。
试验段压力-流量-时间关系曲线见图7和图8,试验段压力-流量关系曲线见图9。
由试验成果分析:当F3-1为主孔时,第一循环试验P-Q曲线呈C(冲蚀)型;第二循环P-Q曲线呈A(层流型),并与第一循环的退压曲线基本重合。
F3-2为主孔进行渗透试验时,
第一循环时F3-1孔内均有水渗水,并随压力的增大而增加,第二循环试验时,曲线出现偏移,F3断层内夹泥层可能受到破坏等原
因,通水后曲线出现变化。
ST1组试验成果P-Q统计见表1。
由成果分析,
F3-1孔、F3-2孔和F3-3孔相距各为5m,渗透破坏拐点的压力值在0.6、0.8MPa。
水电与新能源2020年第11
期
图7 F3-2孔第一循环压力-流量-
时间关系曲线图
图8 F3-2孔第二循环压力-流量-
时间关系曲线图
图9 F3-2孔试验段压力-流量关系曲线图
2.2 ST2组试验
工况1:在F3-5孔进行压水试验,试验段位于孔深25.45~32.60m;在F3-4孔进行渗压监测,测试
段孔深为25.70~28.00m;在F3-6孔进行孔内电视观察,孔深位于26.10m附近,同时也对F3-6孔和F1-1孔也进行水压力(水位)测量。
试验采用快速法进行两个循环试验。
试验段压力-
流量-时间关系曲线见图10、图11,压力-流量关系曲线见图12。
表1 ST1组试验成果P-Q统计表孔号
第一循环
P/MPaQ/(L·min-1
)
第二循环
P/MPaQ/(L·min-1
)
F3-1
0.62.730.4202.257.50.835F3-2
0.82.20.53.22.3
14.8
2.5
15
张德强,等:DG水电站F3缓倾断层原位高压渗透试验分析2020年11
月
图10 F3-5孔第一循环压力-流量-
时间关系曲线图
图11 F3-5孔第二循环压力-流量-
时间关系曲线图
图12 F3-5孔试验段压力-流量关系曲线图
由试验成果分析:第一循环试验时,当F3-5孔随着压力的增大,F3-5孔内透水量呈近线性增加,F3-4孔内渗透水压力也随之增大;远端的F3-6孔的断层带可见渗水,孔内水位开始上升;第二循环试验的P-Q曲线呈近线性,并与第一循环的退压曲线基本重
合,当F3-5孔试验压力达3MPa时,与第一循环试验相比,孔内透水量Q不变(55.42L/min)。
ST2组试验成果见表2。
试验成果表明,在F3-5孔内进行压水,对周边岩体内的结构面均有影响,从透水率来分析,断层内渗漏通道已贯通。
从现场试验工况2(F3-6孔为压水孔)、工况3(F3-4孔为压水孔)结果分析,断层内渗漏量较大,本文不再赘述。
表2 ST2组试验成果P-Q统计表孔号
第一循环
P/MPaQ/(L·min-1
)第二循环
P/MPaQ/(L·min-1
)
F3-5
0.2
10.450.214.62.04.092.044.83.0
55.42
3.0
55.42
水电与新能源2020年第11期
3 原位渗透试验成果计算及分析
3.1 渗透系数计算
可按下式计算岩体渗透系数:
K=Q2πHln
1
r0
式中:K为岩体渗透系数,m/d;Q为压入流量,m3
/d,可取各级压力下最大的透水率,并用最大透水率对应的试验压力值和流量值计算;H为试验水头,m;r0为钻孔变径,m。
ST1组试验成果:F3-1试验段有效长度L=1.2m,最高地面压力Pg=
2.2MPa,最大渗透量Q=57.53L/min,渗透系数K=2.0×10-4
cm/s;F3-2试
验段有效长度L=1.7m,最高地面压力Pg=3.0MPa,最大渗透量Q=2
5.2L/min,渗透系数K=5.0×10-5cm/s。
ST2组试验成果:F3-5试验段有效长度L=2.0m,最高地面压力Pg=
3.0MPa,最大渗透量Q=55.42L/min,渗透系数K=1.0×10-4cm/s。
3.2 水力坡降计算
对于渗透试验,水力坡降为水流沿渗流路径的水头差值与相应渗流路径长度的比值。
渗流场中任一点的水力坡降(
i)可以表示为i=
Δ
HL
式中:i为水力坡降,无量纲;为水头损失(△H=H1-H2),m;H1为观察孔1水头;H2为观察孔2水头,无水渗出或小线状流水的情况下,取H2=0;L为渗径,m,主动孔至被动孔或硐壁的距离。
利用S
T2组试验成果,工况2(F3-6孔压水时):F3-4孔渗透水压力上升了0.08MPa(8m水头),F3-5孔渗透水压力上升了0.05MPa(5m水头),F3-1孔渗透水压力上升了0.03MPa(3m水头)。
F3-4与F3-5孔距为3.05m,F3-4与F3-1孔距为7.15m,F3-5和F3-1孔距为8.73m。
F3-4孔渗透水压力与F3-5孔渗透水压力差为0.03MPa(3m水头),破坏水力坡降i1=(8-5)/3.05=0.98;F3-4孔渗透水压力与F3-1孔渗透水压力差为0
.05MPa(5m水头),破坏水力坡降i2=(
8-3)/7.15=0.70;F3-5孔渗透水压力与F3-1孔渗透水压力差为0.02MPa(2m水头),破坏
水力坡降i3=(5-3)/8.73=0.23。
平均破坏水力坡降i=(i1+i2+i3)/3=0.637。
3.3 试验参数分析及建议值
本次断层破碎带高压渗透是通过钻孔进行的,由于断层泥条带较薄,钻取难度大,断层带层面较明显,采用了孔内视频,F3断层的孔内视频见图13。
图13 F3断层在各孔内出露情况图
渗透系数:根据《水力发电工程地质勘察规范》
[3]
(GB50287-2016)附录N岩土渗透性分级标准,综合
2组渗透试验成果,F3断层渗透系数K=5.0×10-5
~1.0×10-4cm/s,为弱透水,其中ST2组中,F3-6压水的渗透系数K=9.3×10-3cm/s,为中等透水。
随着下
游侧断层带内细粒物质的减少,渗透系统会增大至
10-3cm/s,断层渗透破坏形式为管涌型。
按F3断层
最不利工况综合考虑,F3断层建议渗透系数K=
1.0×10
-4~5.0×10-3
cm/s,为中等透水。
水力坡降:按渗透试验中最不利工况考虑,ST2试验工况2中,
F3-4孔渗透水压力上升了0.08MPa(8m水头),F3-5孔渗透水压力上升了0.05MPa(5m水头),F3-1孔渗透水压力上升了0.03MPa(3m水头)。
F3-4与F3-5孔距为3.05m,F3-4与F3-1孔距为7.15m,F3-5和F3-1孔距为8.73m。
破坏水力坡降分别为0.98、0.70、0.23,平均值为0.637。
结构面临界张开压力:综合ST1、ST2两组试验成果,
F3断层在F3-1、F3-2孔出现的渗透破坏拐点的压力值为结构面临界张开压力值,分别为0.6、0.8MPa。
张德强,等:DG水电站F3缓倾断层原位高压渗透试验分析2020年11月
断层的物质组成是影响断层渗透性的主要因素,
断层带的渗透性随着粘粒的增加而逐渐减弱,根据断层带内颗粒分析,F3断层位于上游侧坝基的细粒物质(<0.075mm)含量为6.4%~11.2%,下游侧Y5区断层带细粒物质(<0.075mm)含量为1.4%,为级配不连续土。
本试验虽然没有进行细粒含量与渗透系数的相关性研究,但根据压水试验成果及参考类似工程经验分析,随着细颗粒的减少而渗透性逐渐增大;断层带内岩体的紧密程度也是影响其渗透特性的关键因素,由于断层带的颗粒级配、围岩卸荷状态及埋深的不同,断层带的紧密程度有所差异,从孔内录像成果总体来看,级配良好,埋深大,紧密程度高的部位其渗透系数越小,反之则越大。
根据根据《水力发电工程地质勘察规范》[3](GB50287-2016)附录P土的渗透变形判别方法确定原则,允许水力坡降以破坏临界水力坡降除以1.5~2.0的安全系数,对水工建筑物的危害较大时,取2的安全系数,对于特别重要的工程,也可取2.5。
自然界地下水流中,水力坡降往往随时间的变化沿流程变化,形成非稳定流,表现为沿断层的各向异性,同时没有考虑断层宽度分布的不均匀性渗流的显著影响[4]。
故综合考虑建议F3断层允许水力坡降J
允许
=0.2~0.3。
4 结 语
在大型水电工程建设中,采用大尺度的原位试验来进行软弱岩体的渗透特性研究越来越受到重视,正确认识试验成果反映的各种物理现象,对全面掌握该类岩体的渗透变形特性至关重要[5]。
通过对坝址范围内的F3断层进行原位高压渗透试验,获得了相对符合实际的试验成果,经处理计算、统计、分析得出如下结论。
1)F3断层建议渗透系数K=1.0×10-4~5.0×10-3cm/s,为中等透水,渗透破坏形式为管涌
型;F3断层允许水力坡降J
允许
=0.2~0.3;F3断层临界张开压力值为0.6~0.8MPa。
2)F3断层带局部位置呈张开状态,如F3-5孔的终孔地下水位为12.3m,压水试验的P-Q曲线呈近
线性,在试验地面压力P
g
值为0.2MPa时,试验段结构面有较大的透水,透水量为10.45L/min,说明在F3-5孔内的断层带存在天然渗透通道,即试验前部分结构面在天然水头下已产生了渗透破坏。
3)断层破碎带渗透性能、临界坡降与其风化程度、颗粒物质组成、裂缝等因素有关。
由于F3断层贯穿右岸坝址,延伸长,再加上物质组成变化大,而断层内的渗流场又很不均匀,这就使断层的渗透变形的发生和发展具有较大的随机性[6],在复杂水动力条件下,影响断层破碎带产生渗透变形破坏的因素多,直接采用P-Q曲线来判断渗透变形特征值是非常困难的,结合试验现象综合分析判断,可起到很好的效果[7]。
4)F3断层为一单斜的结构面,在进行原位渗透试验时,只反应了水平方向的渗透性,由于断层的三维空间的非均质特性,原位高压渗透试验不能实现向空间拓宽的局限性[8]。
现场渗透试验不能求得断层的各向异性渗流参数[9],故试验成果有一定的局限性,与蓄水后的复杂的渗流场相比仍有一定的差别。
应结合实际开挖揭露的断层综合特性及试验过程中现象确定管涌型土的临界水力比降[10],从而进一步明确渗透试验各项建议参数值。
参考文献:
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[2]DL/T5331-2018,水电水利工程钻孔压水试验规程[S][3]GB50287-2016,水力发电工程地质勘察规范[S]
[4]翦波,张家生.坝基挤压破碎带钻孔高压渗透变形试验研究[J].企业技术开发,2009,28(8):26-28,31
[5]刘嘉夫,齐昕.裂隙岩体渗流特性的各向异性试验研究[J].人民黄河,2019,41(11):121-126
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