龍羊峽水電站左岸壩肩尾工超深定向排水孔施工控制技術(shù)

黎文昌

(中國水利水電第十工程局有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)院，四川都江堰611830)

1 龍羊峽水電站概況

龍羊峽水電站位于青海省共和縣和貴南縣交界處的黃河干流上，水庫全樞紐由主壩、泄水建筑物及壩后式廠房等組成，最大壩高178 m，庫容247億m3，共安裝4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量128萬kW，年發(fā)電量60億kW·h。擋水建筑物包括混凝土雙曲拱壩、重力墩和副壩，前沿總長(zhǎng)1277 m。主壩長(zhǎng)396 m，壩頂高程 2610 m，最大中心角 85°02'39″，外半徑265 m，拱冠斷面壩頂厚15 m，壩底厚80 m，厚高比0.45，弧高比2.21，共分18個(gè)壩段，設(shè)縱縫和橫縫。右岸重力墩長(zhǎng)103.35 m，左岸重力墩長(zhǎng)57.18 m。副壩2座，最大壩高43 m，壩頂寬7 m，總長(zhǎng)約700 m。

電站建設(shè)從1976年開始，1979年11月實(shí)現(xiàn)工程截流;1982年6月開始澆筑主壩混凝土;1986年10月15日導(dǎo)流洞下閘蓄水;1990年主壩封拱至2610 m高程;1992年竣工(工程效果見圖1);1993年工程銷號(hào)，未完項(xiàng)目轉(zhuǎn)入工程尾工工程。2004年2月該工程被青海省建設(shè)廳、青海省建筑業(yè)協(xié)會(huì)授予“青海省2003年度工程質(zhì)量特別獎(jiǎng)”榮譽(yù)稱號(hào)。

圖1 龍羊峽水電站工程效果圖

2 定向排水孔工程背景

1996年7月開始對(duì)左岸EL2585廊道的花崗巖斷層破碎帶進(jìn)行化學(xué)帷幕灌漿防滲處理，并于1999年4月開始補(bǔ)充施工左岸EL2585廊道帷幕體后當(dāng)年沒有完工的排水體工程，其中靠近岸坡一端鉆通至左岸EL2530排水廊道(2 m×2.5 m)的排水孔因當(dāng)年在EL2585高程未能施工，而現(xiàn)今必須移至壩肩EL2610壩面施工，孔徑130 mm，理論鉆孔頂角14°，孔間距2 m。經(jīng)業(yè)主電廠方面同意，由施工方自行設(shè)計(jì)變更，并將設(shè)計(jì)方案報(bào)西北電力設(shè)計(jì)院尾工辦審簽通過后開始施工。

3 設(shè)計(jì)思路

將1～3號(hào)孔開孔位置從EL2585高程引至壩肩EL2610壩面，并將因EL2585廊道端頭地質(zhì)鉆無法施工的4號(hào)孔也引伸至EL2610壩面。為減輕排水體“開襠”過大，保證排水體完整，將4號(hào)孔向壩肩一端外移2.9 m至壩面，與1、2、3號(hào)孔等間距1.7 m布置，同時(shí)將4號(hào)孔終孔點(diǎn)與5號(hào)孔終孔點(diǎn)間距縮小至0.8 m，并與1、2、3號(hào)三孔終孔點(diǎn)等間距2.4 m布置，具體設(shè)計(jì)思路見圖2和圖3所示。

圖2 工程概況平面布置示意圖(單位:m)

據(jù)圖2和圖3可知，4個(gè)孔開孔點(diǎn)均提高了25 m;1號(hào)孔開孔點(diǎn)右移2 m，終孔點(diǎn)保持設(shè)計(jì)位不變;2號(hào)孔開孔點(diǎn)右移2.3 m，終孔點(diǎn)左移0.4 m;3號(hào)孔開孔點(diǎn)右移2.6 m，終孔點(diǎn)左移0.8 m;4號(hào)孔開孔點(diǎn)右移2.9 m，終孔點(diǎn)左移1.2 m。

圖3 沿副壩軸線縱向剖面示意圖(單位:m)

4 技術(shù)參數(shù)控制計(jì)算

4．1 方位角和孔深計(jì)算

根據(jù)圖4沿主壩軸線縱向結(jié)構(gòu)剖面圖和鉆孔水平投影圖，利用三角函數(shù)原理計(jì)算得出1、2、3、4號(hào)四孔的方位角，為在原排水體鉆孔方位基礎(chǔ)上順時(shí)針分別旋轉(zhuǎn) 6°、8°、10°、12°。

根據(jù)圖4沿主壩軸線縱向結(jié)構(gòu)剖面圖和沿鉆孔向縱剖面圖，利用三角函數(shù)原理計(jì)算得出1、2、3、4號(hào)四孔的孔深在79.9～79.98 m之間。

4．2 理論頂角(最大值、設(shè)計(jì)值、最小值)計(jì)算

為了確保鉆孔能準(zhǔn)確鉆通至EL2530廊道，順利排出基巖滲水，需要以EL2530廊道上游頂切點(diǎn)和下游排水溝邊角點(diǎn)為基點(diǎn)，計(jì)算出可鉆通的最大理論頂角和最小理論頂角，該頂角范圍值可供技術(shù)控制分析和施工技術(shù)控制參考，確保鉆孔的鉆通率。

經(jīng)過三角函數(shù)計(jì)算得出4個(gè)孔的設(shè)計(jì)頂角在14°～14.23°范圍內(nèi)，最大理論頂角范圍值為14.7°～14.94°，最小理論頂角范圍值為 13°～13.3°，可鉆通有效頂角數(shù)值在13.3°～14.7°，單孔可鉆通技術(shù)頂角控制范圍僅1.7°。具體計(jì)算結(jié)果數(shù)值見表1，計(jì)算分析過程見圖5。

圖4 鉆孔參數(shù)綜合分析計(jì)算圖(單位:m)

表1 理論頂角、實(shí)際施工頂角及其最大最小控制數(shù)值

圖5 1、4號(hào)孔最大最小理論頂角分析圖(單位:m)

4．3 實(shí)際施工頂角(最大值、設(shè)計(jì)值、最小值)計(jì)算

由于Atlas－A32型潛孔沖擊鉆機(jī)鉆具偏垂度較大(說明書中偏垂度3%)，此因素成了4個(gè)超深定向孔能否確保鉆通的關(guān)鍵影響因素之一，必須考慮。根據(jù)4個(gè)孔孔深80 m計(jì)算，得出4個(gè)孔終孔點(diǎn)水平距因偏垂而縮短2.4 m的事實(shí)，按照上述理論頂角計(jì)算方法重新計(jì)算后得出:4個(gè)孔最大實(shí)際施工頂角范圍值變?yōu)?6.29°～16.59°，最小實(shí)際施工頂角范圍值變?yōu)?4.66°～14.96°，可鉆通有效頂角范圍變?yōu)?4.96°～16.29°，設(shè)計(jì)施工頂角范圍變?yōu)?5.65°～15.88°(按照 15.75°控制開孔)，比理論設(shè)計(jì)頂角高出1.65°，技術(shù)頂角控制范圍僅為1.63°。考慮偏垂后，所有頂角數(shù)值較理論數(shù)值均需放大1.6°～1.66°(均值 1.63°)。

5 技術(shù)參數(shù)控制成果分析

經(jīng)過計(jì)算可知，4個(gè)孔的理論頂角設(shè)計(jì)值在14°～14.23°，考慮偏斜率3%后的實(shí)際施工頂角設(shè)計(jì)值在 15.65°～15.88°，實(shí)際施工頂角控制范圍14.66°～16.59°完全超過了其理論頂角控制范圍13°～14.94°，也就是說，如果按照理論設(shè)計(jì)角度實(shí)施鉆進(jìn)后，其結(jié)果將全部在EL2530廊道下方穿過而報(bào)廢。

另一方面，因?yàn)镋L2530廊道截面尺寸小，四個(gè)鉆孔可鉆通的最大最小施工頂角差值僅1.6°～1.7°之間，實(shí)際技術(shù)頂角控制范圍僅為1.63°，技術(shù)控制難度極高，施工操作難度極大，并且四孔方位角與廊道走向方位角并不垂直，風(fēng)險(xiǎn)度很高，稍有疏忽就會(huì)從EL2530廊道的上下方穿過造成鉆孔報(bào)廢，并影響壩肩混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

6 鉆孔設(shè)備選擇和施工工藝控制措施

6．1 設(shè)備選擇

鉆孔設(shè)備選用了Atlas－A32型潛孔沖擊鉆機(jī)(自帶高風(fēng)壓空壓機(jī))，配置130 mm氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)潛孔錘(偏垂度為3%)，89 mm進(jìn)口鉆桿，并每隔10 m安裝一個(gè)導(dǎo)正器，盡力減小鉆具的繞度，確保鉆具在直線狀態(tài)下工作，避免了因此而造成的孔徑擴(kuò)大和孔向跑偏。

6．2 參數(shù)控制

利用全站儀測(cè)量放置孔位點(diǎn)和鉆孔方位角，鉆機(jī)就位固定，利用機(jī)桿頂點(diǎn)垂線原理和地質(zhì)羅盤準(zhǔn)確校核鉆機(jī)方位，并初步以16.75°頂角對(duì)準(zhǔn)鉆孔，開孔采用中低擋鉆壓鉆進(jìn)，開孔0.5 m范圍內(nèi)每鉆進(jìn)2～5 cm停鉆校核鉆具方位、頂角一次。在鉆進(jìn)參數(shù)基本平穩(wěn)后，逐漸放大至每鉆進(jìn)0.5 m校核一次，直至第一節(jié)導(dǎo)正器入孔為止。

6．3 油壓控制

開孔中等鉆壓鉆進(jìn)至40 m左右孔深時(shí)，隨著鉆具質(zhì)量的增加逐漸提鉆鉆進(jìn)，從鉆進(jìn)技術(shù)上杜絕鉆壓過大導(dǎo)致鉆孔跑偏，同時(shí)減少了粗顆粒產(chǎn)生的數(shù)量，降低了粗顆粒重復(fù)破碎使孔徑擴(kuò)大孔向跑偏的可能。

6．4 風(fēng)壓控制

隨著孔深的增加逐漸加大風(fēng)壓并隨時(shí)停鉆吹孔，以避免深積沉渣重復(fù)破碎、孔徑擴(kuò)大而造成的鉆孔偏斜，并提高了鉆進(jìn)效率。

7 結(jié)語

4個(gè)80 m超深定向排水孔全部在預(yù)想的設(shè)計(jì)終孔點(diǎn)鉆通至EL2530廊道，實(shí)踐驗(yàn)證了所做的技術(shù)分析和所采取的鉆進(jìn)工藝控制方法是科學(xué)的、合理的。同時(shí)也驗(yàn)證了進(jìn)口Atlas系列潛孔沖擊鉆機(jī)說明書中鉆具3%的偏垂度的科學(xué)性和真實(shí)性。從技術(shù)角度上克服了潛孔鉆具鉆進(jìn)超深定向孔偏斜率大的技術(shù)難題，總結(jié)出了瑞典Atlas系列潛孔沖擊鉆機(jī)鉆具施工超深定向孔的科學(xué)技術(shù)成果，為國內(nèi)不同行業(yè)同系列Atlas系列鉆機(jī)施工超深定向孔提供了科學(xué)依據(jù)，“震動(dòng)沖擊潛孔鉆具鉆進(jìn)超深定向孔”堪稱國內(nèi)首例，可為廣大鉆探工作者借鑒。

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