豐滿大壩壩體排水孔孔底定位檢測方法研究

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(1.松花江水力發(fā)電有限公司豐滿大壩重建工程建設局，吉林 吉林 132108；2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430011)

1 概述

豐滿水電站位于吉林省吉林市境內的松花江上，1937年日本侵占東北時期開工興建，是當時亞洲規(guī)模最大的水電站，1942年大壩蓄水，1943年5月29日首臺機組投產發(fā)電。大壩使用70年后，2012年10月18日，國家發(fā)展改革委在官方網(wǎng)站上公告核準了吉林豐滿水電站全面治理(重建)工程。重建工程為碾壓混凝土重力壩，最大壩高94.50m，壩頂長1068.00m，壩頂高程269.50m。水庫正常蓄水位263.50m，總庫容103.77億m3。新建電站安裝6臺單機容量為200MW的水輪發(fā)電機組，利用三期2臺單機容量140MW的機組，總裝機容量1480MW。

排水孔為排除壩體內部滲水所設置的豎向管道，主要作用是降低壩體浸潤線位置，減小滲透壓力。除了薄拱壩外，重力壩和其他拱壩一般都設置壩身排水管。

壩頂排水為位于大壩上游側貫穿壩內各層廊道、上至壩頂或溢流堰頂附近的鉛直排水孔幕，排水孔采用鉆孔，單排間距3m。左、右擋水壩段排水孔頂高程為269.25m，溢流壩段孔頂高程為246m，廠房壩段孔頂高程為269.25m，排水孔單排布置間距3.0m(廠房壩段有管段2.5m)，直徑150mm。排水孔孔底出口與廊道上游側拱頂相通，并通過PVC鋼絲增強軟管將滲水引入廊道底部排水溝，集中排出。壩體排水孔設計592個孔，鉆孔17860.3m。

廊道排水孔預留槽投影尺寸為基礎廊道1m×1.5m，中層廊道1m×1.25m。中層廊道設計孔底與預留槽邊沿最小距離為45cm，基礎廊道設計孔底與預留槽邊沿最小距離為50cm，由于廊道內為清水混凝土處理尤其是底部廊道預留槽四周有倒角處理，該部位孔底外觀質量需要保證(降低鉆穿時撕裂破壞程度)，因此對排水孔鉆孔精度要求高。

2 排水孔施工措施

為了控制排水孔豎直度，使排水孔在道預留槽內穿出，施工方在排水孔施工中采用如下措施：

(1)嚴格控制測量放樣的準確度[1-2]。鉆機就位前、鉆機就位后開鉆前均必須使用傾角方位現(xiàn)場刻度器并結合全站儀對孔位、方位角進行精確校核，未進行校核不得進行鉆孔施工；鉆具安裝時要保證鉆具軸線與設計孔軸線重合，鉆頭中心與孔位點重合。

(2)為確保排水孔鉆孔滿足孔斜要求，必須對鉆機進行固定，鉆機四角用膨脹螺絲進行地錨固定；鉆進過程中經常檢查鉆機緊固件的緊固程度，如發(fā)現(xiàn)松弛，隨時進行再次緊固。

(3)鉆孔過程中，若遇到鋼筋混凝土段，則立即停止鉆進，起鉆更換金剛石鉆頭進行鉆孔，待鉆進穿過鋼筋層后，再更換常規(guī)鉆頭。

(4)采用“鉆機限位+孔口限位裝置+硬質合金扶正塊+螺旋鉆桿”的防斜鉆具。 在動力頭移動最前端及孔口位置安裝限位裝置， 確保開孔鉆進及進行淺孔段鉆進時鉆具的導向限位，防止出現(xiàn)偏差。 在沖擊器后的前10根鉆桿安裝硬質合金扶正塊， 每根鉆桿焊接4組， 每組4塊沿鉆桿軸心均勻分布， 硬質合金扶正塊每塊長20cm， 均勻布滿大顆粒球型硬質合金； 扶正塊安裝完成后的最大外徑Φ148(鉆孔直徑為150mm)。 其他鉆桿螺旋片焊接長度為100cm。 該防斜鉆具設計大大增加了鉆具前部同徑長度， 相當于加長了前部鉆具總長度， 增加了總體鉆具的剛度， 減小了鉆具的彎曲擾度， 更好的控制鉆具總體偏斜； 安裝扶正塊后減小了沖擊破碎巖粉、 渣的返出速度； 采用螺旋鉆桿在很大程度上可以提高鉆孔過程中的排渣能力并起到了對鉆桿限位作用。

(5)合理的鉆進工藝參數(shù)及操作工藝是控制孔斜的基礎，通過對MX120A型液壓錨固鉆機在老壩加固預應力錨索鉆孔過程中統(tǒng)計分析總結出的參數(shù)為：鉆壓6～10kN，鉆具轉速30r/min，風壓0.9～1.1MPa, 風量20m3/min，Φ89mm鉆桿導正、返渣綜合性高。

(6)鉆進過程中前20m按照每鉆進2～5m控制，20m后按照每5～10m及時進行孔斜測量，實時掌握鉆進軌跡并相應調整導正器的參數(shù)，第一次初檢在孔深20m左右，以后每鉆進5m左右自檢一次，根據(jù)鉆進孔斜不同情況，實時地調整導正器的參數(shù)。

(7)排水孔按設計孔深預留0.5m,進行排水孔孔底位置檢測，如孔底位置在廊道預留槽內，則換XY-2地質鉆機繼續(xù)鉆進，穿過鋼筋網(wǎng)后，在預留槽內穿出終孔；如孔底位置偏出廊道預留槽范圍，則根據(jù)孔底位置，在廊道內用開孔器從預留槽曲面向上方鉆孔，與排水孔相接通。

3 排水孔底位置檢測

盡管排水孔施工中采取各種控制孔斜措施，但還是不能確保每個排水孔在預留槽內貫穿，液壓錨固鉆機在鉆進到距離設計孔深0.5m后，檢測孔底位置，換地質鉆機(或開孔器)終孔。

為了檢測排水孔孔底位置，進行4種方法的儀器調研及現(xiàn)場測試(施工方已進行鉆孔測斜，精度不滿足控制要求)。

3.1 地質雷達

用1GHz天線在廊道預留槽面向上方連續(xù)掃描檢測孔底位置，電磁波受預留槽內30cm混凝土中200×200mm的Φ25mm鋼筋網(wǎng)干擾嚴重，無法分辨排水孔孔底位置。

圖1 帶鋼筋網(wǎng)的排水孔孔底段巖芯

3.2 金屬探測儀

將鉆機鉆桿放入孔底，在廊道預留槽面向上方連續(xù)掃描檢測排水孔內鉆桿位置，同樣受到鋼筋網(wǎng)干擾，無法定位金屬鉆桿位置。

3.3 鉆孔軌跡

通過測量排水孔軌跡，計算排水孔孔底位置。采用以下兩種測量軌跡方式：

(1)三維數(shù)字電子羅盤。將帶有三維數(shù)字電子羅盤的軌跡儀探頭從排水孔孔口放到孔底，利用探頭里三維數(shù)字電子羅盤，測量排水孔軌跡，計算出孔底位置。結果顯示誤差在排水孔深度25m時，孔底誤差約50cm，且誤差隨深度的增大而增加，不滿足測試精度要求。經分析，誤差主要原因為數(shù)字羅盤在探頭豎直時，方向精度降低造成。

(2)陀螺儀。將采用陀螺儀慣性制導的管道儀探頭從排水孔孔口放到孔底，測量排水孔軌跡，計算孔底位置。結果顯示誤差在排水孔深度36m時，孔底位置誤差約40cm，不滿足測試精度要求。

3.4 超聲波定位

將超聲波發(fā)射探頭放入排水孔底，反射超聲波,在廊道排水孔預留槽用4個平面換能器接收超聲波，根據(jù)超聲波的到達時刻，計算出排水孔底超聲波反射探頭位置暨排水孔底位置[3-4]。經過6個測試孔的現(xiàn)場試驗，最大誤差為10cm，平均誤差5.5cm，滿足精度要求。

4 超聲波定位法原理及測試設備

4.1 超聲波定位法原理

柱狀超聲波換能器在排水孔底處(距廊道排水孔預留槽約0.50～1.50m)發(fā)射超聲波，在廊道排水孔預留槽兩側頂角處各放置2個平面超聲波換能器，在距槽頂40°處兩側邊各放置1個平面超聲波換能器，見圖2所示。當孔底換能器發(fā)射超聲波后，排水孔預留槽內4個換能器分別在不同時刻ti(i=1,2,3,4)收到超聲波。4個平面換能器的位置(xi,yi,zi)(i=1,2,3,4)經測量已知，解方程組(1)可得孔底坐標(x,y,z)及混凝土波速Vp。

根據(jù)排水孔孔口坐標、孔底坐標，可計算出排水孔貫穿預留槽的位置。當貫穿位置在預留槽內時，按正常施工，由上向下打穿排水孔；當貫穿位置在預留槽外時，在廊道預留槽內由下向上鉆孔，與排水孔底相連通。

圖2 排水孔底位置檢測原理圖

(1)

4.2 測試設備

排水孔底位置測量使用儀器如下。

(1)RS-ST01C 非金屬聲波檢測儀(武漢巖海工程技術有限公司)，見圖3所示。

(2)柱狀、平面超聲波換能器。

圖3 RS-ST01C非金屬聲波檢測儀

檢測參數(shù)如下。

采樣長度：1024 采樣率：1～2μs

延遲：0～400μs 增益：400～4000

帶通濾波：2～30kHz 觸發(fā)：內觸發(fā)

5 超聲波定位法檢測成果

現(xiàn)場6個排水孔孔底位置檢測顯示，超聲波定位法最大誤差小于10cm，滿足判定排水孔是否在廊道排水孔預留槽位置內地精度(預留槽寬100cm)要求，檢測誤差見表1所示，檢測成果見圖4～圖6。

表1 排水孔檢測統(tǒng)計表

6 結 論

通過現(xiàn)場測試，超聲波定位法檢測排水孔孔底位置精度滿足判定排水孔是否在預留槽內地要求。與其他檢測方法相比，有如下優(yōu)點。

(1)超聲波定位法比其他幾種現(xiàn)場實驗檢測方法精度高，結果準確。

(2)超聲波定位法發(fā)射探頭在孔底，檢測精度不受孔深、孔徑、孔壁光滑程度影響。測斜儀及軌跡儀法測試時探頭從孔口下放至孔底過程中均在測量，誤差隨孔深增大而增大，同時受孔徑、孔壁光滑程度影響。

(3)抗干擾能力強。超聲波定位法檢測通過超聲波在混凝土內傳播時間來計算位置，屬于彈性波，不是通過電磁方法測量，預留槽混凝土內鋼筋網(wǎng)對檢測不構成干擾。鋼筋網(wǎng)與廊道形狀相同，雖然彈性波在鋼筋中速度高于混凝土，檢測中彈性波與鋼筋網(wǎng)呈大角度穿過，基本不構成速度干擾。