水平定向鉆拉管在德化東固水庫電站生態(tài)流量改造中的應(yīng)用

聶當(dāng)華

（泉州水務(wù)工程建設(shè)集團(tuán)有限公司,福建 泉州 362000）

1 東固水庫電站概況

德化縣東固水庫電站位于福建省德化縣涌溪中段支流梓溪上,壩址距離德化縣城關(guān)64.4 km。工程以發(fā)電為主,并兼有調(diào)洪等綜合利用效益。水庫正常蓄水位410.0 m,總庫容0.540 億m3,調(diào)節(jié)庫容0.327 億m3,屬年調(diào)節(jié)水庫。電站裝機(jī)容量11 MW,保證出力2.40 MW,年發(fā)電量0.316 億kW·h,年利用小時(shí)2633 h。水庫大壩為拋物線砌石雙曲拱壩,壩頂高程412.0 m,壩體最大壩高86.5 m,壩頂寬3 m,壩頂弧長(zhǎng)227.8 m,壩體拱冠底厚13.85 m,壩頂半拱中心角為：左岸51.86°,右岸46.331°。壩頂設(shè)5 孔開敞式溢洪道,每孔凈寬8 m,堰頂高程405.5 m,采用挑流鼻坎挑流消能,設(shè)計(jì)最大下泄流量1111.8 m3/s,設(shè)弧形鋼閘門控制泄流。

德化縣東固水庫電站攔河壩未設(shè)生態(tài)流量放水口和放水設(shè)施,攔河壩下游存在減、脫水河段。根據(jù)相關(guān)要求應(yīng)對(duì)東固水庫電站水庫大壩進(jìn)行生態(tài)流量泄流改造。

2 地質(zhì)情況

根據(jù)本次鉆孔揭露,輸水線路沿線地層情況見表1。

表1 德化東固水庫電站生態(tài)流量改造輸水線路沿線地層參數(shù)特性表

3 輸水線路及方案選擇

根據(jù)東固水庫周邊地形地質(zhì)情況,本次設(shè)計(jì)新建輸水線路采用3 個(gè)線路方案進(jìn)行比選。

3.1 方案一,水平定向鉆進(jìn)拉管法

大壩庫區(qū)右側(cè)山體新建輸水涵洞,拉管進(jìn)口距離大壩肩約98 m,拉管出口明挖鋪設(shè)管道及新建混凝土明渠引水至下游河道,總輸水線路長(zhǎng)385.4 m。水平定向鉆進(jìn),穿越長(zhǎng)度約229.3 m,采用熱熔焊接的PE100 級(jí)SDR21 系列De400 PE給水管（壁厚23.7 mm,工作壓力1.0 MPa）,擴(kuò)孔最終直徑采用管道外徑的1.2～1.5 倍,取600 mm。PE管拉后進(jìn)行回填灌漿及接觸灌漿。

3.2 方案二,非爆破開挖法

輸水線路與方案一致,進(jìn)口位于大壩庫區(qū)右側(cè)山體,距離大壩右壩肩98 m,隧洞型式為城門洞型,襯后斷面尺寸為1.8 m×2.0 m（寬×高）,隧洞長(zhǎng)229.3 m,隧洞出口明挖鋪設(shè)De400 PE管長(zhǎng)10.6 m及新建混凝土渠道145.5 m,引水至下游現(xiàn)狀河道,總輸水線路長(zhǎng)385.4 m。

隧洞開挖采用“水磨鉆+靜力爆破膨脹劑劈巖”非爆破開挖技術(shù)：按設(shè)計(jì)斷面輪廓線造槽控制開挖凈空,采用“掏心法”制造臨空面,自內(nèi)而外膨脹劈巖,逐層擴(kuò)孔開挖。具體步驟如下：

①“掏心”。在隧洞中心布設(shè)兩環(huán),采用水磨鉆自內(nèi)而外鉆芯,形成臨空面。

②擴(kuò)孔。臨空面形成后,環(huán)向設(shè)置兩層劈巖孔,孔距350mm。

③按設(shè)計(jì)隧洞輪廓線,設(shè)置外層劈巖孔,孔距250 mm。

④采用SCA-I加熱膨脹型靜力膨脹劑,單孔加藥量為孔深的70%,巖體劈裂后,再使用液壓破碎機(jī)修整出設(shè)計(jì)邊線,撬除破碎巖石。

⑤開挖完成后按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行支護(hù)及襯砌。

根據(jù)輸水隧洞不同段的巖石強(qiáng)度及完整性情況,隧洞分為襯砌段及不襯砌段,襯砌段根據(jù)巖層等級(jí),采用錨噴C20混凝土厚0.12 m、C20 鋼筋混凝土厚0.3 m兩種型式,其中進(jìn)出洞口巖石較風(fēng)化,采用超前支護(hù)的施工措施,隧洞進(jìn)出洞口需進(jìn)行噴錨支護(hù)。

3.3 方案三：鉆爆法開挖

采用鉆爆法在大壩庫區(qū)右岸山體新建輸水隧洞,由于輸水線路離東固大壩右壩肩較近,本次輸水隧洞軸線位于東固水庫大壩管理范圍線以外,且根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2003）計(jì)算輸水隧洞軸線距離大壩安全距離,具體公式如下：

式中：R為爆破震動(dòng)安全允許距離,m；Q為炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時(shí)爆破為最大一段藥量,本次考慮采用控制爆破,取20 kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度,由于東固水庫大壩為薄雙曲拱壩,常年擋水,重要性較大,出于安全考慮取0.1 cm/s；K、a為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),東固水庫大壩壩肩巖石完整,屬堅(jiān)硬巖石,本次K取值為50,a取值1.3。

根據(jù)上述公式計(jì)算得爆破安全距離為322.92 m,因此本方案輸水隧洞軸線距離大壩右壩肩最小安全距離取值為323 m。

東固水庫電站生態(tài)流量改造輸水線路及方案見圖1,輸水隧洞長(zhǎng)570.5 m,隧洞出口新建混凝土明渠長(zhǎng)207.4 m引水至下游河道,總輸水線路長(zhǎng)777.10.6 m。隧洞型式為城門洞型,襯后斷面尺寸為1.8 m×2.0 m（寬×高）,根據(jù)輸水隧洞不同段的巖石強(qiáng)度及完整性情況,隧洞分為襯砌段及不襯砌段,襯砌段根據(jù)巖層等級(jí),采用錨噴C20 混凝土厚0.12 m、C20 鋼筋混凝土厚0.3 m兩種型式,其中進(jìn)出洞口巖石較風(fēng)化,采用超前支護(hù)的施工措施,隧洞進(jìn)出洞口需進(jìn)行噴錨支護(hù)。

圖1 東固水庫電站生態(tài)流量改造輸水線路及方案比較布置示意圖

涉及到火工材料的安全使用及管理,管理費(fèi)用高、安全措施費(fèi)用較高。

綜上所述,各方案投資見表2,方案一采用非開挖水平定向鉆進(jìn)庫區(qū)右岸山體拉管工藝具有對(duì)地表的干擾較小、施工速度快、可控制鋪管方向、施工精度高等優(yōu)點(diǎn),從投資節(jié)省、施工更安全、施工進(jìn)度更快方面,為更好的解決東固水庫下游脫水河道考慮,本次設(shè)計(jì)輸水線路及方案采用方案一：水平定向鉆進(jìn)拉管法。

表2 東固水庫電站生態(tài)流量改造各方案投資比較表

4 定向鉆拉管設(shè)計(jì)

4.1 輸水管道軌跡設(shè)計(jì)

本次新建輸水管道拖拉管管材為塑料管,輸水管道軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)滿足規(guī)范要求的最小曲率半徑（即：R=1200 D,D為鉆桿外徑）,本次管線為直線。

根據(jù)地勘資料,本工程管線地層為基本弱風(fēng)化凝灰熔巖屬較硬巖,局部為碎塊狀凝灰熔巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖末端局部為土層,鋪管最大深度81.79 m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),巖層水平定向鉆進(jìn)鋪管應(yīng)采用大型鉆機(jī)（扭矩30 kN·m～100 kN·m,推/拉力450 kN～5000 kN,鉆機(jī)（包括車）重20 t～30 t,鉆桿長(zhǎng)度9.0 m～12.0 m）。

巖層水平定向鉆進(jìn)鋪管一般采用泥漿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)法。水平定向鉆用的馬達(dá)彎角一般在1.5%～3.0%之間,根據(jù)管線設(shè)計(jì)軌跡曲率不同選擇不同的彎角。

綜上所述,結(jié)合工程實(shí)際及現(xiàn)場(chǎng)地址地形,確定輸水線路為直線,穿越段長(zhǎng)229.3 m。

4.2 回拉力計(jì)算及定向鉆機(jī)選擇

根據(jù)穿越的長(zhǎng)度、入土角、出土角、曲率半徑、以及管材的管徑、壁厚,利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算分析管道回拉力：

式中：F拉為計(jì)算的拉力,kN；L為穿越長(zhǎng)度,m；f為摩擦系數(shù),0.1～0.3；D為生產(chǎn)管直徑,m；r泥為泥漿密度,t/m3；δ1為生產(chǎn)管壁厚,m；K粘為粘滯系數(shù),0.01～0.03。

經(jīng)計(jì)算,定向鉆回拉力為129.67 kN。定向鉆機(jī)主要根據(jù)回拉力的1.5～3 倍來選擇。同時(shí),根據(jù)地勘資料,本工程管線地層基本為弱風(fēng)化凝灰熔巖屬較硬巖（長(zhǎng)186.77 m）,進(jìn)、出口局部為碎塊狀凝灰熔巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、土層（長(zhǎng)42.53 m）,鋪管最大深度81.79 m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),巖層水平定向鉆進(jìn)鋪管應(yīng)采用大型鉆機(jī)（扭矩30 kN·m～100 kN·m,推/拉力450 kN～5000 kN,鉆機(jī)（包括車）重20 t～30 t,鉆桿長(zhǎng)度9.0 m～12.0 m）。

故,本工程定向鉆施工的鉆機(jī)應(yīng)選用推/拉力不小于500 kN的大型鉆機(jī)。定向鉆進(jìn)配制的泥漿要求：泥漿粘度：40 s～50 s；泥漿pH值：8～10；泥漿膨潤(rùn)土采用API高效膨潤(rùn)土；泥漿密度：1.1 t/m3～1.2 t/m3。

4.3 回填灌漿

PE管道拉通后,利用地質(zhì)鉆機(jī)在軸線位置鉆φ110 孔至拉管頂部,共鉆孔深60.44 m,灌漿時(shí)孔內(nèi)埋設(shè)φ25 鋼管至管道頂高程,拉管結(jié)束后用高壓注漿泵連接灌漿管注入水泥漿。灌漿順序?yàn)橄葟南掠慰缀笊嫌慰住?/p>

4.4 接觸灌漿

涵洞回填灌漿質(zhì)量檢查合格后采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔埋設(shè)De32 PVCU花管進(jìn)行接觸灌漿,接觸灌漿時(shí)間應(yīng)待回填灌漿結(jié)束7 d后,漿液水灰比采用0.8、0.6 兩個(gè)比級(jí),孔口灌漿壓力不宜超過0.3 MPa,在規(guī)定壓力下灌漿孔停止吸漿后,延續(xù)灌注5 min結(jié)束。

5 結(jié)語

德化東固水庫電站生態(tài)流量改造工程采用水平定向鉆拉管在右壩肩穿弱風(fēng)化凝灰熔巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化熔巖,鋪設(shè)De400 PE輸水管道,解決電站大壩下游河道脫水問題,于2021 年6 月施工完成,運(yùn)行情況良好。該方案可靠、投資低、施工擾動(dòng)小、進(jìn)度快,避免了采用傳統(tǒng)鉆爆法產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)雙曲拱壩的穩(wěn)定安全造成影響,為類似電站生態(tài)流量改造提供借鑒。