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鉆孔高壓壓水試驗(yàn)在抽水蓄能電站的應(yīng)用及探討

文檔作者：周彩貴1,毛會(huì)斌1,林峰2 文檔來(lái)源： 1. 西北水利水電工程有限責(zé)任公司 2. 廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月07日
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文章編號(hào):1006—2610(2016)04—0078—04
鉆孔高壓壓水試驗(yàn)在抽水蓄能電站的應(yīng)用及探討
周彩貴1,毛會(huì)斌1,林 峰2
(1. 西北水利水電工程有限責(zé)任公司,西安 710065;
2. 廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,南寧 530023)
摘 要:抽水蓄能電站壓力管道、高水頭承壓洞室等工程由于其水頭較高,巖體所承受的壓力比較集中,常規(guī)壓水
試驗(yàn)不能準(zhǔn)確反映水頭壓力作用下巖體的滲透等特性,需要進(jìn)行高壓壓水試驗(yàn)。筆者在概述了鉆孔高壓壓水試驗(yàn)
中設(shè)備和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上,結(jié)合陜西鎮(zhèn)安和新疆阜康抽水蓄能電站工程實(shí)踐,探討了鉆孔高壓壓水試驗(yàn)中膨脹
介質(zhì)、止水栓塞等有關(guān)問(wèn)題,并提出了建議。
關(guān)鍵詞:鉆孔;壓水試驗(yàn);止水栓塞;抽水蓄能電站
中圖分類號(hào):TU456;TV743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10. 3969/ j. issn. 1006-2610. 2016. 04. 020
Application and Study on Pressure Water Tests with High Pressure in Boreholes
of Pumped Storage Power Plant
ZHOU Caigui1 , MAO Huibin1 , LIN Feng2
(1. Northwest Water Resources and Hydropower Engineering Co. , Ltd. , Xi'an 710065, China;
2. Guangxi Electric Power Design Research Institute Co. , Ltd. , Nanning, Guangxi 530023, China)
Abstract:The pressure water test rather than the conventional pressure water test is required because the later cannot display the permeability
of the rockmass under the head pressure as the head of penstock, high-head pressure tunnel, etc of the pumped storage power plant are
higher and the pressure acting on the rockmass is concentrated as well. On the basis of description of equipment and technical requirements
on the pressure water test with high pressure in borehole as well as in combination with engineering practice in Zhen'an and Fukang pumped
storage power plants, issues related to expansion media, packer, etc in the pressure water tests are explored and suggestions are proposed as
well.
Key words:borehole; pressure water test; packer; pumped storage power plant
收稿日期:2016-06-17
作者簡(jiǎn)介:周彩貴(1974- ),男,甘肅省永登縣人,教授級(jí)高級(jí)
工程師,主要從事巖土工程勘察與工程施工管理.
0 前 言
巖體在高壓水流作用下,巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面
(節(jié)、理、斷層破碎帶等)有可能張開(kāi)或擴(kuò)展,導(dǎo)致巖
體原始透水狀況發(fā)生改變。抽水蓄能水電站壓力管
道、高水頭承壓洞室等工程往往因埋深大、水頭高,
承受的壓力比較大,若要了解巖體在不同的高壓水
流下的透水性變化情況、巖體在高水頭壓力作用下
的變形方式,以及巖體裂隙對(duì)高壓水流長(zhǎng)時(shí)間沖蝕
作用的抵御能力,常規(guī)的壓水試驗(yàn)已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)
需要。DL/ T5208-2005《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》
也明確要求,在高壓管段及岔管部位的鉆孔中,選有
代表性試驗(yàn)段,進(jìn)行管道內(nèi)水壓力1. 2 倍的專項(xiàng)壓
水試驗(yàn),即高壓壓水試驗(yàn)。
與常規(guī)壓水試驗(yàn)相比,高壓壓水試驗(yàn)主要特點(diǎn)
有:
(1) 壓力峰值大。以抽水蓄能電站為例,地下
廠房叉管部位要承受高水頭壓力,設(shè)計(jì)壓力可取平
均水頭壓力的1. 5 倍。
78 周彩貴,毛會(huì)斌,林 峰. 鉆孔高壓壓水試驗(yàn)在抽水蓄能電站的應(yīng)用及探討 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
(2) 壓水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。因高壓壓力并不是恒定
壓力,因此在高壓壓水試驗(yàn)中,針對(duì)不同的巖體往往
采用2 個(gè)甚至4 個(gè)循環(huán)階段,每段壓水試驗(yàn)時(shí)間大
多在12 h 以上,如采用4 個(gè)循環(huán)階段,持續(xù)時(shí)間達(dá)
到24 h。
(3) 試驗(yàn)難度大。對(duì)壓水設(shè)備性能及止水栓塞
要求高。
從20 世紀(jì)80 年代后期開(kāi)始,相關(guān)單位結(jié)合工
程實(shí)踐開(kāi)展了對(duì)鉆孔高壓壓水試驗(yàn)的研究[1-15] 。近
年來(lái),在陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站和新疆阜康抽水蓄
能電站,其地下廠房叉管部位進(jìn)行了高壓壓水試驗(yàn),
完成高壓壓水試驗(yàn)共96 段, 最大壓力達(dá)到9
MPa[1] 。結(jié)合這些工程實(shí)踐和有關(guān)研究,對(duì)高壓壓
水試驗(yàn)中若干問(wèn)題進(jìn)行探討。
2 高壓壓水試驗(yàn)設(shè)備與主要技術(shù)要求
2. 1 高壓壓水設(shè)備性能要求
高壓壓水試驗(yàn)設(shè)備主要包括:高壓水泵、壓力流
量自動(dòng)記錄系統(tǒng)、壓水栓塞3 部分。
試驗(yàn)用高壓水泵的額定壓力、流量應(yīng)能夠滿足
試驗(yàn)壓力、流量的要求。由于高壓壓水試驗(yàn)在高壓
狀態(tài)下歷時(shí)較長(zhǎng),為確保安全,水泵標(biāo)稱最大壓力應(yīng)
大于設(shè)計(jì)最大試驗(yàn)壓力的50% 以上。選用出水流
量穩(wěn)定的三缸往復(fù)式水泵即可滿足要求。
試驗(yàn)用量測(cè)設(shè)備應(yīng)采用壓力范圍大于最大試驗(yàn)
壓力的多點(diǎn)法高壓壓水試驗(yàn)自動(dòng)記錄儀,其主要特
點(diǎn)是以筆記本電腦為主機(jī),性能穩(wěn)定、抗干擾能力
強(qiáng),同屏實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)壓力、流量、呂榮值及其工時(shí)
曲線。
止水栓塞應(yīng)止水可靠、操作簡(jiǎn)便,栓塞長(zhǎng)度不小
于8 倍鉆孔孔徑。
2. 2 高壓壓水試驗(yàn)主要技術(shù)要求
壓水試驗(yàn)可隨鉆孔的加深自上而下地用單栓塞
分段隔離進(jìn)行,由于高壓壓水試驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng),為提高
鉆探工效,加之繩索取芯工藝的推廣應(yīng)用,宜在鉆孔
終孔后,自下而上地用雙栓塞分段隔離進(jìn)行[2] 。
自上而下單栓塞分段高壓壓水試驗(yàn)試段長(zhǎng)度宜
為5 m,自下而上雙栓塞分段高壓壓水試驗(yàn)長(zhǎng)度宜
為3 ~4 m,相鄰試段應(yīng)互相銜接,但不應(yīng)漏段。
高壓壓水試驗(yàn)的最大壓力一般根據(jù)試驗(yàn)部位承
受的水頭確定,可取平均水頭的1. 5 倍,根據(jù)目前抽
水蓄能電站設(shè)計(jì)情況,一般為6 ~9 MPa。高壓壓水
試驗(yàn)鉆孔的孔徑宜為75 ~150 mm,宜采用金剛石清
水鉆進(jìn)或硬質(zhì)合金清水鉆進(jìn),并按DL/ T5013-2005
《水電水利工程鉆探規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,禁止使用泥漿
等護(hù)壁材料鉆進(jìn)。
高壓壓水試驗(yàn)壓力分段及加壓方式根據(jù)試驗(yàn)?zāi)?
的確定。洗孔、水位觀測(cè)、試驗(yàn)壓力與流量觀測(cè)、試
驗(yàn)資料整理等要求參照常規(guī)壓水試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)
行。
3 高壓壓水試驗(yàn)若干問(wèn)題的探討
3. 1 高壓壓水測(cè)試系統(tǒng)
常規(guī)的壓水測(cè)試系統(tǒng)基本均為單栓塞結(jié)構(gòu),普
遍采用的是一套壓差式橡膠球(筒)進(jìn)行測(cè)段的密
封隔離。因此,只能以孔底做自然封隔端,在勘探過(guò)
程中每鉆進(jìn)5. 0 m 進(jìn)行1 次壓水測(cè)試。實(shí)際上,在
深鉆孔中,由于在孔徑及孔斜并不規(guī)則,難以保證壓
水段的可靠封隔,使得壓水測(cè)試成果的誤差較大。
鑒于高壓壓水測(cè)試的實(shí)際需要,以及常規(guī)壓水
測(cè)試系統(tǒng)存在的問(wèn)題,與生產(chǎn)廠家合作研制了水壓
式雙栓塞高壓壓水測(cè)試系統(tǒng),孔內(nèi)封隔系統(tǒng)采用了
水壓式雙栓塞止水技術(shù),為跨接連接結(jié)構(gòu)。每只栓
塞的有效密封長(zhǎng)度為1. 2 m,設(shè)計(jì)承壓為30 MPa。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí),一般只需加壓3 ~5 MPa 即可使2 只栓
塞同時(shí)充分膨脹、緊貼孔壁,從而將壓水試段與上下
巖體隔離開(kāi)來(lái)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓水段長(zhǎng)一般為5. 0
m,可視測(cè)點(diǎn)的具體情況調(diào)節(jié)。試段的注水加壓采
用新型的高壓水泵,最大壓力為25 MPa,流量一般
為0 ~ 30 L/ min,最大可達(dá)55 L/ min。為確保流量
計(jì)量的準(zhǔn)確可靠,宜采用新型智能高壓流量計(jì),將其
直接安裝在注水管路上,連續(xù)地測(cè)量累計(jì)流量,并可
通過(guò)流量(壓力)控制閥,調(diào)節(jié)各壓力階段不同流量
情況下的測(cè)量[1] 。
3. 2 高壓壓水栓塞
(1) 對(duì)栓塞加壓膨脹介質(zhì)與壓力的討論
對(duì)于常規(guī)壓水試驗(yàn),DL/ T5531-2005《水電水利
工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》[16] 規(guī)定:“采用氣壓式或水
壓式栓塞時(shí),充氣(水) 壓力應(yīng)大于最大試驗(yàn)壓力
0. 2 ~0. 3 MPa,在試驗(yàn)過(guò)程中充氣(水)壓力應(yīng)保持
西北水電·2016 年·第4 期 79
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不變”,這個(gè)要求在進(jìn)行常規(guī)壓水試驗(yàn)時(shí),現(xiàn)有的技
術(shù)條件下是可以達(dá)到的。對(duì)于高壓壓水試驗(yàn),文獻(xiàn)
[16]只是提及對(duì)高壓壓水試驗(yàn)的止水栓塞根據(jù)具
體條件可選擇止水可靠性較好的水壓式、油壓式等
類型的栓塞,但目前還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家或行業(yè)技術(shù)
標(biāo)準(zhǔn),在編制高壓壓水試驗(yàn)技術(shù)要求時(shí),往往參照常
規(guī)壓水試驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,通常也要求“氣壓式
或水壓式栓塞充氣(水)壓力應(yīng)大于最大試驗(yàn)壓力
0. 2 ~0. 3 MPa,在試驗(yàn)過(guò)程中充氣(水)壓力應(yīng)保持
不變”,這一點(diǎn)在實(shí)際操作中就存在很大的困難。
對(duì)氣壓栓塞而言,現(xiàn)階段一般工程用高風(fēng)壓空
壓機(jī)也只有2 MPa,還需要專門的大型動(dòng)力支持,對(duì)
于水電工程在勘探階段而言,經(jīng)濟(jì)上限制很大。其
次,若氣壓要達(dá)到8 MPa 甚至更高,無(wú)論安全性、經(jīng)
濟(jì)性、現(xiàn)場(chǎng)可操作性等在現(xiàn)階段都難以滿足要求。
因此,要實(shí)現(xiàn)栓塞充氣壓力大于最大試驗(yàn)壓力0. 2
~0. 3 MPa 的要求在實(shí)踐中幾乎不可能。
如果栓塞氣壓不超過(guò)最大試驗(yàn)壓力,則由于空
氣的可壓縮性很強(qiáng),在栓塞內(nèi)壓小于外壓(即試段
內(nèi)的試驗(yàn)壓力)情況下,栓塞會(huì)受內(nèi)部空氣在內(nèi)外
壓力差作用下壓縮而縮徑,從而導(dǎo)致繞塞滲漏,嚴(yán)重
影響試驗(yàn)成果。因此,在目前的技術(shù)和施工條件下,
高壓壓水試驗(yàn)是無(wú)法使用氣壓栓塞的。
對(duì)水壓式栓塞而言,雖具備可操作性,可實(shí)現(xiàn)水
壓栓塞內(nèi)壓參照常規(guī)壓水試驗(yàn)的要求,即內(nèi)壓“大
于最大試驗(yàn)壓力0. 2 ~0. 3 MPa”,但安全性較差,經(jīng)
濟(jì)上也受限制。
水的體積壓縮系數(shù)為4. 5×10-4 MPa-1,故在進(jìn)
行壓水試驗(yàn)時(shí)可以不考慮水的壓縮。栓塞水壓不超
過(guò)最大試驗(yàn)壓力,是否可行呢? 一般來(lái)說(shuō),栓塞是通
過(guò)膠囊內(nèi)壓力P1 作用而膨脹,靠栓塞與孔壁摩擦產(chǎn)
生摩擦力F1 抑制工作段水壓對(duì)栓塞的推力F2,從
而達(dá)到止水作用。即:
F1 = μ·N1 = μ·P1·S1 = μ·P1·π·D·L
(1)
F2 = P2·S2 = P2·π·D2 / 4 (2)
則安全系數(shù)N 可定義為:
N = F1
F2
= 4μP1L
P2D (3)
式中: μ 為栓塞與巖石摩擦系數(shù);P1 為栓塞水壓,
kPa;D 為孔壁直徑,m;L 為栓塞長(zhǎng)度,m;P2 為工作
段壓力,kPa。
如孔徑為91 mm,栓塞長(zhǎng)度為1. 5 m,壓水時(shí)最
大值為9 MPa,栓塞水壓3 MPa,栓塞與巖石摩擦系
數(shù)取橡膠與鋼鐵的摩擦系數(shù)0. 5[2] ,則安全系數(shù)N
可達(dá)到10. 9。因此,實(shí)際工作中,栓塞水壓達(dá)3 MPa
可滿足止水需要。
(2) 栓塞的改進(jìn)
止水栓塞是壓水試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備,目前中國(guó)常
用的止水栓塞有雙管循環(huán)式、單管頂壓式、水壓式和
氣壓式4 種類型。① 雙管循環(huán)式的優(yōu)點(diǎn)是不存在
管路損失,缺點(diǎn)是需要下入2 套管路,對(duì)小口徑鉆孔
不適用;② 單管頂壓式的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是
栓塞長(zhǎng)度較短,當(dāng)孔壁不完整時(shí),止水效果較差,不
適用于高壓壓水試驗(yàn)。③ 水壓式和氣壓式栓塞的
共同特點(diǎn)是膠囊易與孔壁緊貼,即使在孔壁不太平
直的情況下,也能實(shí)現(xiàn)面接觸,且栓塞較長(zhǎng),止水可
靠性好,對(duì)不同孔徑、孔深的鉆孔均能適應(yīng),操作簡(jiǎn)
便。水壓式栓塞的缺點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)束后膠囊內(nèi)的水不
易排放干凈,氣壓式栓塞的缺點(diǎn)是鉆場(chǎng)上需要一套
高壓充氣裝置,而且在3. 2 節(jié)(1)中已論述其在高
壓壓水試驗(yàn)中的不適應(yīng)性。
為此,結(jié)合工程實(shí)踐,與生產(chǎn)廠家合作研制了水
壓式雙栓塞高壓壓水測(cè)試系統(tǒng)。該栓塞單個(gè)栓塞有
效長(zhǎng)度1. 2 m,上下封隔器由鉆桿連接,可承受30
MPa 壓力。同時(shí),在栓塞頂端和底端各設(shè)置了1 個(gè)
限位措施,盡可能防止栓塞的軸向變形。此外,栓塞
制作材料進(jìn)行了改進(jìn),一套栓塞能夠適應(yīng)75 ~ 91
mm 兩個(gè)孔徑下的試驗(yàn)工作,意味著鉆孔直徑如果
是71 和91 mm 兩級(jí)結(jié)構(gòu)只需要1 套栓塞,鉆孔直徑
是75、91 和110 mm 三級(jí)結(jié)構(gòu)需要2 套栓塞。通過(guò)
改進(jìn),在陜西鎮(zhèn)安和新疆阜康抽水蓄能高壓壓水試
驗(yàn)中均取得成功,簡(jiǎn)化了安裝程序,提高了效率。
(3) 改進(jìn)栓塞的特點(diǎn)
1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便。工作可靠,具有氣壓
栓塞的一切優(yōu)點(diǎn)。
2) 省時(shí)省力。壓水試驗(yàn)時(shí)只要求鉆具提離孔
底1 個(gè)試漏段長(zhǎng)度就可以了,不再需要每次壓水就
全部提出鉆具,這樣既節(jié)省了時(shí)間,又降低了工人的
勞動(dòng)強(qiáng)度。
80 周彩貴,毛會(huì)斌,林 峰. 鉆孔高壓壓水試驗(yàn)在抽水蓄能電站的應(yīng)用及探討 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
3) 體積小、重量輕。試驗(yàn)孔徑56 mm 栓塞的直
徑只有42 mm,本體重量不到4 kg。
(4) 對(duì)繞塞滲漏的討論
需要指出,無(wú)論采取何種措施,在進(jìn)行高壓壓水
試驗(yàn)時(shí),繞塞滲漏是不可避免的。在何種程度時(shí)可
以接受,目前尚無(wú)適宜的標(biāo)準(zhǔn),而且在現(xiàn)有技術(shù)條件
下,對(duì)于繞塞滲漏的準(zhǔn)確量測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
在陜西鎮(zhèn)安和新疆阜康抽水蓄能電站等項(xiàng)目實(shí)
施過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用了可以加壓到3 ~4 MPa 的
手搖水泵,雖然完成了高壓壓水試驗(yàn),但繞塞滲漏對(duì)
試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性影響到底有多大無(wú)法準(zhǔn)確判定。
限于技術(shù)水平、現(xiàn)場(chǎng)條件及時(shí)間等因素,也沒(méi)有專門
進(jìn)行繞塞滲漏的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,只是將栓塞內(nèi)水壓盡量
加大,以盡可能減小試段繞塞滲漏量。相信隨著技
術(shù)進(jìn)步和諸多有識(shí)之士的不斷深入研究,試驗(yàn)成果
將越來(lái)越更準(zhǔn)確地反映測(cè)試地層的水力力學(xué)特性。
3. 3 高壓管路
使用雙栓塞止水壓水技術(shù),最大的優(yōu)點(diǎn)是可以
在終孔后不依賴鉆機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),避免了試驗(yàn)與造孔
相互影響,且只需下1 次井下試驗(yàn)設(shè)備,就可連續(xù)地
進(jìn)行試驗(yàn)直至結(jié)束,可提高工作效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)
度。目前高壓壓水試驗(yàn)孔內(nèi)管路基本都是采用鉆
桿,在孔深100 m 以內(nèi)的淺孔可以正常進(jìn)行,但是如
果在孔深超過(guò)150 m 以上的中深孔、深孔中采用鉆
桿作為高壓管路,鉆桿的自身重量造成栓塞無(wú)法正
常起、下,無(wú)法脫離鉆機(jī),將影響鉆進(jìn)效率,因此如脫
離鉆機(jī),高壓管路就不能用鉆桿。針對(duì)此情況,我們
在施工中采用直徑為30 mm 的無(wú)縫鋼管,絲扣連
接,減輕了孔內(nèi)壓水設(shè)備的重量,采用小型卷?yè)P(yáng)即可
正常起下。
4 結(jié) 語(yǔ)
(1) 抽水蓄能水電站壓力管道、高水頭承壓洞
室等工程往往因埋深大、水頭高,承受的壓力比較
大,常規(guī)的壓水試驗(yàn)已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需要,必須采用
高壓壓水試驗(yàn)。
(2) 受現(xiàn)有設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)工作條件等限制,高壓
壓水試驗(yàn)過(guò)程中氣壓式栓塞難以滿足要求,水壓式
栓塞的安全性較差,經(jīng)濟(jì)上也受限制。
(3) 改進(jìn)后的止水栓塞,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作、
省時(shí)省力和體積小等優(yōu)點(diǎn),在部分工程中已取得成
功。
(4) 現(xiàn)有技術(shù)條件下,高壓壓水試驗(yàn)的繞塞滲
漏是不可避免的。繞塞滲漏的準(zhǔn)確測(cè)量、評(píng)判和修
正,目前尚無(wú)適宜的標(biāo)準(zhǔn),有待繼續(xù)探討。
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西北水電·2016 年·第4 期 81

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