3.3　隧洞围岩高压渗透特性研究

广东省已建和在建抽水蓄能电站水头均超过400m，裂隙岩体在高水压力作用下其渗透特性如何，多大水压力下张开劈裂，直接关系到围岩的稳定性。研究高水头作用下围岩的渗透性，为设计提供基础资料，进而采取科学合理的防渗处理措施，具有十分重要的作用。为了研究裂隙岩体在工程建成后在设计水压力作用的渗透特性，通常在前期勘察阶段在不同压力水道布置钻孔，在孔内进行高压压水试验。为了测量不同工程部位岩体中的裂隙在多大水压力作用下会张开劈裂，在钻孔内选择有代表性的裂隙岩体进行水力劈裂试验。

3.3.1　围岩高压压水试验研究

3.3.1.1　钻孔高压压水试验方法

工程岩体的渗透性通常采用现场压水试验进行研究，以了解裂隙岩体的透水性状。岩体透水性的现场压水试验一般采取0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa、0.6MPa、0.3MPa的3级压力5个压力阶段的常规压水测试方法。通过这种测试，可以测定低水头作用下岩体的渗透性。然而，在高水头抽水蓄能电站的高压输水隧洞等工程中，由于隧洞围岩工作压力远远超过1.0MPa，用最高压力仅为1.0MPa的压水测试方法已不能适应工程研究和设计的需要，常规压水测试的结果不能真实地反映出高压下的岩体透水特征，所以需要对裂隙岩体进行高压压水测试。

高压压水试验是一种在钻孔中进行的岩体原位渗透试验，其主要目的是测定岩体在高水头作用下的透水率，为评价岩体的渗透性能和为防渗设计提供基本资料。在一般情况下，岩体的透水量随压力的增大而增大，一些在低压下不渗透或透水率很低的岩体，在高压下透水或透水量明显增大。这主要是由于在高压作用下岩体中的微裂隙或节理等软弱结构面可能张开或扩展，从而改变了岩体的原始透水特性，因此，只有按照岩体实际承受的水压力下进行压水测试，才能得到更接近实际工况下岩体透水性的资料。通常高压压水试验的最大压力不小于1.2倍电站最大静水头。钻孔高压压水试验中，一般采用对裂隙岩体试段以3个压力点，5个压力阶段进行施压，即P1→P2→P3→P4（P4＝P2）→P5（P5＝P1）（P1＜P2＜P3），记录测段压入的流量变化，绘制出对应的压力-流量变化曲线。《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL 31—2003）中划定，P-Q曲线有5种类型，即A（层流）型、B（紊流）型、C（扩张）型、D（冲蚀）型、E（充填）型。每种曲线代表一种渗流形式，其标准曲线特征见表3.3-1。

通过高压压水试验可以确定出裂隙岩体的透水率，其单位为吕荣（Lu），通常取最大压力下的透水吕荣值作为该试段的透水率。压水试验段的透水率采用第三阶段的压力值和流量值按下式计算

式中：q为试验段的透水率，Lu；L为试验段长度，m；Q3为第三阶段的计算流量，L/min；P3为第三阶段的试验段压力，MPa。

利用压水试验成果计算岩体渗透系数时，当试段位于地下水位以下，透水性较小（q＜10Lu），P-Q曲线为A类型（层流型）时可按下式计算岩体渗透系数

当试段位于地下水位以下，透水性较小（q＜10Lu），P-Q曲线为B类型（紊流型）时，可用第一阶段的压力P1换算成水头值以米计和流量Q1代入式（3.3-2）近似地计算渗透系数。当透水性较大时宜采用其他水文地质试验方法测定岩体渗透系数。

3.3.1.2　广东抽水蓄能电站的隧道围岩高压渗透特性

1.广州抽水蓄能电站

广州抽水蓄能电站在ZK2179中进行了5段高压压水试验，其中3段为断层带、2段为蚀变岩，试验成果见表3.3-2。试验成果中，当稳定压力值在7.6～8.3MPa时，渗水量0～3.6L/min，最大压力阶段透水率为0～0.46Lu，说明在胶结较好的蚀变岩带及断层带，在高水头作用下渗透性微弱。

2.惠州抽水蓄能电站

惠州抽水蓄能电站工程高压压水试验在探洞的钻孔PDZK03、PDZK04、PDZK05和PDZK11四个垂直孔中进行了50段高压压水试验，在PDZK17、PDZK18、PDZK19和PDZK20平孔中进行了8段高压压水试验；累计共开展了58段高压压水试验，成果见表3.3-3。在58个高压压水试验段中，最大透水率值为1.0Lu的试段占45段，占试段总数的77.8%；说明厂区岩体较为完整，围岩节理裂隙胶结良好，大多数属张性的结构面，连通性也比较差，因此在6～7MPa高压力下，绝大多数试段不透水和吕荣值为1.0Lu。由表3.3-2还可以看出，就4个垂直钻孔比较而言，PDZK03孔透水率最大，说明该孔围岩结构受到f304断层破碎带和张性结构面的影响。其余3个垂直孔各试段高压透水率比较低或不透水，说明钻孔围岩完整性好，节理裂隙胶结紧密，厂房高压岔管附近岩体透水率都很低。

3.清远抽水蓄能电站

清远抽水蓄能工程在钻孔ZK3003中进行了10段高压压水试验。试验采用3个压力点1.0MPa、3.0MPa、5.0MPa。在钻孔ZK3003中进行了10段高压压水试验。试验结果表明，10个测段最高压力均能稳定在5.0MPa，在10个高压压水试验段中，吕荣值接近于0的试段占8段，占试段总数的80%，只有两个测段340.56～344.06m、345.41～348.91m的吕荣值相对较高，分别为0.2～0.3Lu、0.4～0.9Lu，均低于1，这说明测试孔附近岩体非常完整、节理裂隙胶结良好，大多数属压性结构面，连通性也很差，岩体在5.0MPa水压力下具有良好的抗渗性能。

3.3.2　围岩水力劈裂试验研究

3.3.2.1　水力劈裂试验方法

工程岩体赋存于一定的地应力和地下水压力环境中，初始地应力通常使结构面受到压缩并使深埋岩体中的裂隙闭合，而地下水压力作用于裂隙面的法向，力图使裂隙面张开。在自然状态下，岩体内储水空隙所占空间有限，岩石矿物的平均容重也大于地下水，且地下水面一般在地表以下，某点的地应力一般大于该处的静水压力，在地应力环境的共同作用下，一般不会产生水力劈裂现象，此时水压力的作用主要是减小岩体中的有效应力。但隧道开挖后，由于局部岩体的卸除，扰动区的应力处于复杂状态，局部甚至会出现拉应力区，在水库蓄水后，在高水头内压作用下，大部分内水压力将由围岩承担，岩体内部裂纹在高水头作用下出现水力劈裂现象，导致裂纹扩展或产生新的裂纹。蓄能电站水头高，其输水隧洞的围岩长期承受高水压力作用，裂隙岩体在高水压力作用下是否张开，其渗透特性如何，直接关系到围岩的稳定性。所以进行实际水头作用下原地测量，对于评价围岩稳定性，支护与防渗措施设计有着重要意义。

目前，原地测量通常是在钻孔中进行，大体相当于慢速水压致裂试验，测试设备基本与水压致裂测试设备相同，得到的裂隙岩体的张开压力称为裂隙岩体水力劈裂压力。裂隙岩体的张开压力与节理裂隙的空间展布及原地应力直接相关，水力劈裂试验一般选择在有裂隙的岩体中进行，其物理基础是裂隙岩体的渗流理论，同时裂隙岩体的渗流行为服从达西定律。在试验过程中，首先向测段施加较低的压力，同时得到流量的稳定值后，再使压力升高一个台阶，并重复上一过程。依此类推，得到一系列稳定压力下的稳定流量值，也就得到了测段压力与流量的关系曲线。开始阶段，压力与流量呈线性关系，裂隙岩体未被水压力张开，渗流速率主要受控于水头压力并遵循达西定律。随着压力逐步增大，当裂隙面由闭合状态转变为张开状态时，流量突然增大，此时，裂隙面的有效应力与施加的水压力平衡，对流量这一突变点对应的压力称为裂隙岩体的张开压力，此种试验的张开压力就是裂隙岩体水力劈裂压力。依此来判断裂隙岩体承受水力劈裂的能力，上述试验方法称为水力劈裂试验。

3.3.2.2　广东抽水蓄能电站围岩的水力劈裂特性

1.惠州抽水蓄能电站

惠州抽水蓄能工程水力劈裂试验在钻孔PDZK03、PDZK04、PDZK05和PDZK11孔中各进行了3段水力劈裂试验，目的是了解围岩长期承受高水头压力作用下，裂隙岩体在高水压力作用下是否张开，其渗透特性如何，裂隙岩体的承载能力有多大。厂区围岩裂隙岩体水力劈裂值分高、中和低3种情况：①高值区，该区裂隙岩体抗水力劈裂值在11～12MPa，在PDZK03孔的16.06～16.86m和PDZK05孔的105.00～106.10m两个试段，这两个试段岩心以块状和柱状为主，裂隙微小，胶结好，挤压紧密，岩体承载能力高；②低值区，该区裂隙岩体抗水力劈裂值4～5MPa，只有在PDZK03孔的75.32～76.12m、PDZK04孔的85.74～86.74m和PDZK05孔的35.50～36.60m3个试段，这3个试段一般是距断裂带或断层破碎带较近，多为碎裂岩，或绿泥石化，或硅化蚀变，岩芯破碎，这种裂隙岩体抗水力劈裂能力差，承载能力低；③中等值，该区裂隙岩体抗水力劈裂值7～8MPa，共有7段，占试验总数的近60%，厂区裂隙岩体多属此类型，该类岩体普遍胶结好，岩心完整（表3.3-4）。

惠州抽水蓄能工程厂区12个试验段水力劈裂值随孔深的分布情况，见图3.3-1，洞内裂隙岩体水力劈裂值与孔深没有直接关系，数值的大小主要受控于裂隙岩体的性状。大多测段裂隙岩体水力劈裂压力大于7MPa，在PDZK03孔和PDZK04孔接近f304断层带附近的测段，裂隙岩体水力劈裂压力较低，大约在5MPa左右。

2.清远抽水蓄能电站

清远抽水蓄能工程水力劈裂试验在钻孔ZK3003孔中共进行了8段水力劈裂试验，试验段分布在孔深327.86～412.23m之间，试验结果见表3.3-5。钻孔ZK3003围岩裂隙岩体水力劈裂值分高、中和低3种情况：①高值区，该区裂隙岩体抗水力劈裂值在12MPa以上，在钻孔ZK3003的358.46～359.66m和388.56～389.76m两个试段，这两个试段岩芯以柱状和长柱状为主，裂隙微小，胶结好，挤压紧密，岩体承载能力高；②低值区，该区裂隙岩体抗水力劈裂值6.5MPa，只有在411.03～412.23m试段，这个试段一般是裂隙相对较发育、裂隙充填物胶结性能较差，这种裂隙岩体抗水力劈裂能力差，承载能力相对低；③中等值，该区裂隙岩体抗水力劈裂值8～10MPa，共有5段，厂区裂隙岩体多属此类型，该类岩体普遍胶结好，岩芯相对完整。

清远抽水蓄能工程厂区裂隙岩体水力劈裂值随深度分布情况见图3.3-2，钻孔内裂隙岩体水力劈裂值主要受控于岩体裂隙的性状，多数测段裂隙岩体水力劈裂压力大于8MPa，在411.03～412.23m测段，受岩体裂隙性状及裂隙充填物性状的影响，裂隙岩体水力劈裂压力相对偏低，大约在6.5MPa左右。