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钻孔高压压水试验在抽水蓄能电站的应用及探讨

文档作者：周彩贵1,毛会斌1,林峰2 文档来源： 1. 西北水利水电工程有限责任公司 2. 广西电力设计研究院有限公司		点击数：	更新时间： 2024年06月07日
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文章编号:1006—2610(2016)04—0078—04
钻孔高压压水试验在抽水蓄能电站的应用及探讨
周彩贵1,毛会斌1,林 峰2
(1. 西北水利水电工程有限责任公司,西安 710065;
2. 广西电力设计研究院有限公司,南宁 530023)
摘 要:抽水蓄能电站压力管道、高水头承压洞室等工程由于其水头较高,岩体所承受的压力比较集中,常规压水
试验不能准确反映水头压力作用下岩体的渗透等特性,需要进行高压压水试验。笔者在概述了钻孔高压压水试验
中设备和技术要求的基础上,结合陕西镇安和新疆阜康抽水蓄能电站工程实践,探讨了钻孔高压压水试验中膨胀
介质、止水栓塞等有关问题,并提出了建议。
关键词:钻孔;压水试验;止水栓塞;抽水蓄能电站
中图分类号:TU456;TV743 文献标识码: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
作者简介:周彩贵(1974- ),男,甘肃省永登县人,教授级高级
工程师,主要从事岩土工程勘察与工程施工管理.
0 前 言
岩体在高压水流作用下,岩体中的软弱结构面
(节、理、断层破碎带等)有可能张开或扩展,导致岩
体原始透水状况发生改变。抽水蓄能水电站压力管
道、高水头承压洞室等工程往往因埋深大、水头高,
承受的压力比较大,若要了解岩体在不同的高压水
流下的透水性变化情况、岩体在高水头压力作用下
的变形方式,以及岩体裂隙对高压水流长时间冲蚀
作用的抵御能力,常规的压水试验已无法满足设计
需要。DL/ T5208-2005《抽水蓄能电站设计导则》
也明确要求,在高压管段及岔管部位的钻孔中,选有
代表性试验段,进行管道内水压力1. 2 倍的专项压
水试验,即高压压水试验。
与常规压水试验相比,高压压水试验主要特点
有:
(1) 压力峰值大。以抽水蓄能电站为例,地下
厂房叉管部位要承受高水头压力,设计压力可取平
均水头压力的1. 5 倍。
78 周彩贵,毛会斌,林 峰. 钻孔高压压水试验在抽水蓄能电站的应用及探讨 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
(2) 压水持续时间长。因高压压力并不是恒定
压力,因此在高压压水试验中,针对不同的岩体往往
采用2 个甚至4 个循环阶段,每段压水试验时间大
多在12 h 以上,如采用4 个循环阶段,持续时间达
到24 h。
(3) 试验难度大。对压水设备性能及止水栓塞
要求高。
从20 世纪80 年代后期开始,相关单位结合工
程实践开展了对钻孔高压压水试验的研究[1-15] 。近
年来,在陕西镇安抽水蓄能电站和新疆阜康抽水蓄
能电站,其地下厂房叉管部位进行了高压压水试验,
完成高压压水试验共96 段, 最大压力达到9
MPa[1] 。结合这些工程实践和有关研究,对高压压
水试验中若干问题进行探讨。
2 高压压水试验设备与主要技术要求
2. 1 高压压水设备性能要求
高压压水试验设备主要包括:高压水泵、压力流
量自动记录系统、压水栓塞3 部分。
试验用高压水泵的额定压力、流量应能够满足
试验压力、流量的要求。由于高压压水试验在高压
状态下历时较长,为确保安全,水泵标称最大压力应
大于设计最大试验压力的50% 以上。选用出水流
量稳定的三缸往复式水泵即可满足要求。
试验用量测设备应采用压力范围大于最大试验
压力的多点法高压压水试验自动记录仪,其主要特
点是以笔记本电脑为主机,性能稳定、抗干扰能力
强,同屏实时显示试验压力、流量、吕荣值及其工时
曲线。
止水栓塞应止水可靠、操作简便,栓塞长度不小
于8 倍钻孔孔径。
2. 2 高压压水试验主要技术要求
压水试验可随钻孔的加深自上而下地用单栓塞
分段隔离进行,由于高压压水试验历时较长,为提高
钻探工效,加之绳索取芯工艺的推广应用,宜在钻孔
终孔后,自下而上地用双栓塞分段隔离进行[2] 。
自上而下单栓塞分段高压压水试验试段长度宜
为5 m,自下而上双栓塞分段高压压水试验长度宜
为3 ~4 m,相邻试段应互相衔接,但不应漏段。
高压压水试验的最大压力一般根据试验部位承
受的水头确定,可取平均水头的1. 5 倍,根据目前抽
水蓄能电站设计情况,一般为6 ~9 MPa。高压压水
试验钻孔的孔径宜为75 ~150 mm,宜采用金刚石清
水钻进或硬质合金清水钻进,并按DL/ T5013-2005
《水电水利工程钻探规程》标准执行,禁止使用泥浆
等护壁材料钻进。
高压压水试验压力分段及加压方式根据试验目
的确定。洗孔、水位观测、试验压力与流量观测、试
验资料整理等要求参照常规压水试验技术标准执
行。
3 高压压水试验若干问题的探讨
3. 1 高压压水测试系统
常规的压水测试系统基本均为单栓塞结构,普
遍采用的是一套压差式橡胶球(筒)进行测段的密
封隔离。因此,只能以孔底做自然封隔端,在勘探过
程中每钻进5. 0 m 进行1 次压水测试。实际上,在
深钻孔中,由于在孔径及孔斜并不规则,难以保证压
水段的可靠封隔,使得压水测试成果的误差较大。
鉴于高压压水测试的实际需要,以及常规压水
测试系统存在的问题,与生产厂家合作研制了水压
式双栓塞高压压水测试系统,孔内封隔系统采用了
水压式双栓塞止水技术,为跨接连接结构。每只栓
塞的有效密封长度为1. 2 m,设计承压为30 MPa。
现场测试时,一般只需加压3 ~5 MPa 即可使2 只栓
塞同时充分膨胀、紧贴孔壁,从而将压水试段与上下
岩体隔离开来。该系统的设计压水段长一般为5. 0
m,可视测点的具体情况调节。试段的注水加压采
用新型的高压水泵,最大压力为25 MPa,流量一般
为0 ~ 30 L/ min,最大可达55 L/ min。为确保流量
计量的准确可靠,宜采用新型智能高压流量计,将其
直接安装在注水管路上,连续地测量累计流量,并可
通过流量(压力)控制阀,调节各压力阶段不同流量
情况下的测量[1] 。
3. 2 高压压水栓塞
(1) 对栓塞加压膨胀介质与压力的讨论
对于常规压水试验,DL/ T5531-2005《水电水利
工程钻孔压水试验规程》[16] 规定:“采用气压式或水
压式栓塞时,充气(水) 压力应大于最大试验压力
0. 2 ~0. 3 MPa,在试验过程中充气(水)压力应保持
西北水电·2016 年·第4 期 79
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不变”,这个要求在进行常规压水试验时,现有的技
术条件下是可以达到的。对于高压压水试验,文献
[16]只是提及对高压压水试验的止水栓塞根据具
体条件可选择止水可靠性较好的水压式、油压式等
类型的栓塞,但目前还没有统一的国家或行业技术
标准,在编制高压压水试验技术要求时,往往参照常
规压水试验的技术标准执行,通常也要求“气压式
或水压式栓塞充气(水)压力应大于最大试验压力
0. 2 ~0. 3 MPa,在试验过程中充气(水)压力应保持
不变”,这一点在实际操作中就存在很大的困难。
对气压栓塞而言,现阶段一般工程用高风压空
压机也只有2 MPa,还需要专门的大型动力支持,对
于水电工程在勘探阶段而言,经济上限制很大。其
次,若气压要达到8 MPa 甚至更高,无论安全性、经
济性、现场可操作性等在现阶段都难以满足要求。
因此,要实现栓塞充气压力大于最大试验压力0. 2
~0. 3 MPa 的要求在实践中几乎不可能。
如果栓塞气压不超过最大试验压力,则由于空
气的可压缩性很强,在栓塞内压小于外压(即试段
内的试验压力)情况下,栓塞会受内部空气在内外
压力差作用下压缩而缩径,从而导致绕塞渗漏,严重
影响试验成果。因此,在目前的技术和施工条件下,
高压压水试验是无法使用气压栓塞的。
对水压式栓塞而言,虽具备可操作性,可实现水
压栓塞内压参照常规压水试验的要求,即内压“大
于最大试验压力0. 2 ~0. 3 MPa”,但安全性较差,经
济上也受限制。
水的体积压缩系数为4. 5×10-4 MPa-1,故在进
行压水试验时可以不考虑水的压缩。栓塞水压不超
过最大试验压力,是否可行呢? 一般来说,栓塞是通
过胶囊内压力P1 作用而膨胀,靠栓塞与孔壁摩擦产
生摩擦力F1 抑制工作段水压对栓塞的推力F2,从
而达到止水作用。即:
F1 = μ·N1 = μ·P1·S1 = μ·P1·π·D·L
(1)
F2 = P2·S2 = P2·π·D2 / 4 (2)
则安全系数N 可定义为:
N = F1
F2
= 4μP1L
P2D (3)
式中: μ 为栓塞与岩石摩擦系数;P1 为栓塞水压,
kPa;D 为孔壁直径,m;L 为栓塞长度,m;P2 为工作
段压力,kPa。
如孔径为91 mm,栓塞长度为1. 5 m,压水时最
大值为9 MPa,栓塞水压3 MPa,栓塞与岩石摩擦系
数取橡胶与钢铁的摩擦系数0. 5[2] ,则安全系数N
可达到10. 9。因此,实际工作中,栓塞水压达3 MPa
可满足止水需要。
(2) 栓塞的改进
止水栓塞是压水试验的关键设备,目前中国常
用的止水栓塞有双管循环式、单管顶压式、水压式和
气压式4 种类型。① 双管循环式的优点是不存在
管路损失,缺点是需要下入2 套管路,对小口径钻孔
不适用;② 单管顶压式的优点是操作简单,缺点是
栓塞长度较短,当孔壁不完整时,止水效果较差,不
适用于高压压水试验。③ 水压式和气压式栓塞的
共同特点是胶囊易与孔壁紧贴,即使在孔壁不太平
直的情况下,也能实现面接触,且栓塞较长,止水可
靠性好,对不同孔径、孔深的钻孔均能适应,操作简
便。水压式栓塞的缺点是试验结束后胶囊内的水不
易排放干净,气压式栓塞的缺点是钻场上需要一套
高压充气装置,而且在3. 2 节(1)中已论述其在高
压压水试验中的不适应性。
为此,结合工程实践,与生产厂家合作研制了水
压式双栓塞高压压水测试系统。该栓塞单个栓塞有
效长度1. 2 m,上下封隔器由钻杆连接,可承受30
MPa 压力。同时,在栓塞顶端和底端各设置了1 个
限位措施,尽可能防止栓塞的轴向变形。此外,栓塞
制作材料进行了改进,一套栓塞能够适应75 ~ 91
mm 两个孔径下的试验工作,意味着钻孔直径如果
是71 和91 mm 两级结构只需要1 套栓塞,钻孔直径
是75、91 和110 mm 三级结构需要2 套栓塞。通过
改进,在陕西镇安和新疆阜康抽水蓄能高压压水试
验中均取得成功,简化了安装程序,提高了效率。
(3) 改进栓塞的特点
1) 结构简单,操作方便。工作可靠,具有气压
栓塞的一切优点。
2) 省时省力。压水试验时只要求钻具提离孔
底1 个试漏段长度就可以了,不再需要每次压水就
全部提出钻具,这样既节省了时间,又降低了工人的
劳动强度。
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3) 体积小、重量轻。试验孔径56 mm 栓塞的直
径只有42 mm,本体重量不到4 kg。
(4) 对绕塞渗漏的讨论
需要指出,无论采取何种措施,在进行高压压水
试验时,绕塞渗漏是不可避免的。在何种程度时可
以接受,目前尚无适宜的标准,而且在现有技术条件
下,对于绕塞渗漏的准确量测无法实现。
在陕西镇安和新疆阜康抽水蓄能电站等项目实
施过程中,现场试验采用了可以加压到3 ~4 MPa 的
手摇水泵,虽然完成了高压压水试验,但绕塞渗漏对
试验成果的准确性影响到底有多大无法准确判定。
限于技术水平、现场条件及时间等因素,也没有专门
进行绕塞渗漏的现场测试,只是将栓塞内水压尽量
加大,以尽可能减小试段绕塞渗漏量。相信随着技
术进步和诸多有识之士的不断深入研究,试验成果
将越来越更准确地反映测试地层的水力力学特性。
3. 3 高压管路
使用双栓塞止水压水技术,最大的优点是可以
在终孔后不依赖钻机进行试验,避免了试验与造孔
相互影响,且只需下1 次井下试验设备,就可连续地
进行试验直至结束,可提高工作效率、减轻劳动强
度。目前高压压水试验孔内管路基本都是采用钻
杆,在孔深100 m 以内的浅孔可以正常进行,但是如
果在孔深超过150 m 以上的中深孔、深孔中采用钻
杆作为高压管路,钻杆的自身重量造成栓塞无法正
常起、下,无法脱离钻机,将影响钻进效率,因此如脱
离钻机,高压管路就不能用钻杆。针对此情况,我们
在施工中采用直径为30 mm 的无缝钢管,丝扣连
接,减轻了孔内压水设备的重量,采用小型卷扬即可
正常起下。
4 结 语
(1) 抽水蓄能水电站压力管道、高水头承压洞
室等工程往往因埋深大、水头高,承受的压力比较
大,常规的压水试验已无法满足设计需要,必须采用
高压压水试验。
(2) 受现有设备和现场工作条件等限制,高压
压水试验过程中气压式栓塞难以满足要求,水压式
栓塞的安全性较差,经济上也受限制。
(3) 改进后的止水栓塞,具有结构简单易操作、
省时省力和体积小等优点,在部分工程中已取得成
功。
(4) 现有技术条件下,高压压水试验的绕塞渗
漏是不可避免的。绕塞渗漏的准确测量、评判和修
正,目前尚无适宜的标准,有待继续探讨。
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