龙羊峡水电站左岸坝肩尾工超深定向排水孔施工控制技术.pdf

第 4 2卷第 9期 2 0 1 5年 9月 探矿工程 ( 岩土钻掘工程 ) E x p l o r a t i o n En g i n e e r i n g( R o c k＆ S o i l D r i l l i n g a n d T u n n e l i n g ) Vo 1 ． 4 2 No ． 9 S e p t ．2 01 5： 81—8 4 龙羊峡水电站左岸坝肩尾工 超深定向排水孔施工控制技术 黎 文 昌 ( 中国水利水电第十工程局有限公司勘测设计院， 四川 I都江堰 6 1 1 8 3 0 ) 摘要： 龙羊峡水电站左岸坝肩尾工4个孔径 1 3 0 mm、 孔深 8 0 m超深倾斜定向排水孔工程， 从坝肩 E L 2 6 1 0全部钻通 至 E L 2 5 3 0排水廊道( 2 m x 2 ． 5 m) 理论设计终孑 L 点。采用瑞典 A t l a s —A 3 2型潜孔钻机施工。针对该钻机钻具偏垂 度 3 ％的困难( 同时也验证了其偏垂度 3 ％的科学性) ， 从技术参数控制和施工工艺控制上克服了潜孑 L 钻施工超深 定向孔偏垂度过大的技术“ 瓶颈” ， 总结出了瑞典进口A t l a s 系列潜孔钻机冲击回转钻具施工超深定向孔的技术成 果 ， 为国内不同行业同系列 A t l a s 系列钻机施工超深定 向孔提供了参考依据。 关键词： A t l a s — A 3 2型冲击钻机； 钻探工艺； 超深孔； 定向孔 ； 偏垂度 中图分类号 ： P 6 3 4 ． 7 文献标识码 ： B 文章 编号 ： 1 6 7 2— 7 4 2 8 ( 2 0 1 5 ) 0 9— 0 0 8 1— 0 4 Co n s t r u c t i o n Co n t r o l Te c h n o l o g y o f Ul t r a - d e e p I n c l i n e d Di r e c t i o n a l Dr a i n a g e Ho l e s i n L e f t Ba n k Ab u t m e n t o f L o n g y a n g x i a Hy d r o p o w e r S t a t i o n ／ L ／W e n — c h a n g( S i n o h y d r o B u r e a u 1 0 C o ． ， L t d ． ， D u j i a n g y a n S i c h u a n 6 1 1 8 3 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I mp o rte d f r o m S we d e n，At l a s—A3 2 d o wn — t h e — h o l e d r i l l w a s u s e d i n 4 u l t r a — d e e p i n c l i n e d d i r e c t i o n a l d r a i n a g e ho l e s wi t h d i a me t e r o f 1 3 0 mm a n d d e p t h o f 8 0m i n t h e l e f t b a nk a b u t me n t o f Lo n g y a n g x i a h y dr o po we r s t a t i o n，d ril l i n g f r o m a b u t m e n t E L 2 6 1 0 t o t h e t h e o r e t i c a l d e s i g n b o r e h o l e b o t t o m l o c a t i o n E L 2 5 3 0 d r a i n a g e g a l l e r y ( 2 m 2 ． 5 m) ．A c c o r d i n g t o t h e d i f f i c u l t i e s c a u s e d b y d ril l i n g t o o l v e r t i c a l d e v i a t i o n o f 3 ％ ( v e rti c a l d e v i a t i o n o f 3 ％ i s v e ri fi e d t o b e s c i e n t i fi c ) ．T h e t e c h n i c a l b o t t l e n e c k o f t o o l a r g e v e r t i c a l d e v i a t i o n i n u l t r a - -d e e p d i r e c t i o n a l h o l e c o n s t r u c t i o n w i t h d o wn - t h e -- h o l e d ril l we r e o -- v e r c o me o n t h e c o n t r o l o f t e c h n i c a l p a r a me t e r s a n d t e c h n o l o g y ．T h e p a p e r s u mma r i z e s t e c h n i c a l a c h i e v e me n t s o f u h r a — d e e p i n c l i ne d d i r e c t i o na l ho l e s c o ns t ru c t e d wi t h At l a s s e r i e s do wn— t he — h o l e r o t a ry p e r c u s s i o n d ril l fro m S we d e n． Ke y wo r d s ：At l a s—A 3 2 p e r c u s s i o n d r i l l ；d r i l l i n g t e c h n o l o gy ；u l t r a — d e e p h l o e ；d i r e c t i o n a l h o l e；v e r t i c a l d e v i a t i o n 1 龙羊峡水电站概况 龙羊峡水电站位于青海省共和县和贵南县交界 处的黄河干流上 ， 水库全枢纽 由主坝 、 泄水建筑物及 坝后式厂房等组成， 最大坝高 1 7 8 i n ， 库容 2 4 7亿 in ， 共安装 4台机组 ， 总装机容量 1 2 8万 k W， 年发 电量 6 0亿 k W h 。挡水建筑物包括混凝土双曲拱 坝 、 重力墩和副坝 ， 前沿 总长 1 2 7 7 in。主坝长 3 9 6 in， 坝顶高程 2 6 1 0 in， 最大中心角 8 5 。 0 2 3 9 ， 外半径 2 6 5 in， 拱冠断面坝顶厚 1 5 in， 坝底厚 8 0 in， 厚高比 0 ． 4 5， 弧高 比2 ． 2 1 ， 共分 1 8个坝段 ， 设纵缝 和横缝。 右岸重力 墩长 1 0 3 ． 3 5 in， 左岸重力墩 长 5 7 ． 1 8 in。 副坝 2座 ， 最大坝高 4 3 in， 坝顶宽 7 1 T I ， 总长约 7 0 0 In。 电站建设从 1 9 7 6年开始， 1 9 7 9年 1 1 月实现工程 截流； 1 9 8 2年6月开始浇筑主坝} 昆 凝土； 1 9 8 6年 1 0 月1 5日导流洞下闸蓄水； 1 9 9 0年主坝封拱至2 6 1 0 In 高程 ； 1 9 9 2 年竣工( 工程效果见图1 ) ； 1 9 9 3 年工程 图 1 龙羊峡水电站 工程效果 图 销号 ， 未完项 目转入工程尾工工程。2 0 0 4年 2月该 星 一 197 1 年 毕 碉I币 _监 理 工 程 IJ币 从 事 水 利 水 电 工 程 及 咨 询 工 作 ,~ Jll，省 者 5江 堰 市 蒲 阳 路 16 4 号 6 734 @ 。m 。 作 者 简 介 ：黎 文 昌 ，男 ，汉 族 ， 年 生 ，工 程 师 ，监 理 工 程 师 ，从 事 水 利 水 电 工 程 设 计 及 咨 词 工 F 铂 右 堰 。l 捅 跆 ～ ⋯ “ 。 8 2 探矿 工程 ( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 5年 9月 工程被青海省建设厅 、 青海省 建筑业协会授予 “ 青 海省 2 0 0 3年度工程质量特别奖 ” 荣誉称号 。 2 定 向排水孑 L 工程背景 1 9 9 6年 7月开始对左岸 E L 2 5 8 5廊道的花 岗岩 断层破碎带进行化学帷幕灌浆防渗处理， 并于 1 9 9 9 年4月开始补充施工左岸 E L 2 5 8 5 廊道帷幕体后当 年没有完工 的排水体工程 ， 其 中靠 近岸坡一端钻通 至左岸 E L 2 5 3 0排水廊道 ( 2 m x 2 ． 5 i n ) 的排水孔因 当年在 E L 2 5 8 5高程未能施工 ， 而现今必须移 至坝 肩 E L 2 6 1 0坝 面施 工 ， 孔径 1 3 0 m m， 理论钻孔顶 角 1 4 。 ， 孔间距 2 m。经业主 电厂方面 同意 ， 由施 工方 自行设计变更， 并将设计方案报西北电力设计院尾 工办审签通过后开始施工 。 3 设计 思路 将 1— 3号孔开孔位置从 E L 2 5 8 5高程引至坝肩 E L 2 6 1 0坝面， 并将 因 E L 2 5 8 5廊道端头地质钻无 法 施工的4 号孔也引伸至 E L 2 6 1 0坝面。为减轻排水 体“ 开裆 ” 过大 ， 保 证排水体完 整 ， 将 4号孔 向坝 肩 一 端外移 2 ． 9 m至坝面 ， 与 1 、 2 、 3号孔等间距 1 ． 7 IT I 布置 ， 同时将 4号孔终孔点与 5号孔终孔点间距 缩小至 0 ． 8 i n ， 并与 1 、 2 、 3号三孔终孔点等间距 2 ． 4 m布置 ， 具体设计思路见图 2和图 3所示。 电缆 图 2 工程概况平面布置 示意图( 单位 ： m) 据图 2和 图 3可知， 4个孔开孔点均提高了 2 5 m； 1号孔开孔点右移 2 m， 终孔点保持设计位不变 ； 2号孔开孔点右移 2 ． 3 m， 终孔点左移 0 ．4 m； 3号孔 排 水 1掏 、 I — I I— l l I ／ 左坝肩 1 2 3 4／ 1 o 。 左副坝上 ： ●● ， ． j ： 蕉 挡 导 ： - ： ． -q． ： - 二 ≤ - 、 5 6 图 3 沿副坝轴线纵向剖面 示意图( 单位 ： m) 开孔点右移 2 ． 6 m， 终孔点左移 0 ． 8 I l l ； 4号孔开孔 点右移 2 ． 9 1T I ， 终孔点左移 1 ． 2 1T I 。 4 技术参数控制计算 4 ． 1 方位角和孔深计算 根据图 4沿主坝轴线纵向结构剖面图和钻孔水 平投影图， 利用三角函数原理计算得出 1 、 2 、 3 、 4号 四孔 的方位角， 为在原 排水体钻孔方位基础上顺时 针分别旋转 6 。 、 8 。 、 1 0 。 、 1 2 。 。 根据图 4沿主坝轴线纵向结构剖面图和沿钻孔 向纵剖面图， 利用三角 函数原理计算得 出 1 、 2 、 3 、 4 号四孔的孔深在 7 9 ． 9～ 7 9 ． 9 8 1T I 之间。 4 ． 2 理论顶角( 最大值 、 设计值 、 最小值 ) 计算 为了确保 钻孔 能准确钻通至 E L 2 5 3 0廊道 ， 顺 利排 出基岩渗水 ， 需要 以 E L 2 5 3 0廊道上游顶 切点 和下游排水沟边角点为基点 ， 计算出可钻通 的最大 理论顶角和最小理论顶角， 该顶角范围值可供技术 控制分析和施工技术控制参考， 确保钻孔的钻通率。 经过三角函数计算得出4个孔的设计顶角在 l 4 。 ～ 1 4 ． 2 3 。 范围内， 最大理论顶角范围值为 1 4 ． 7 。 ～ 1 4 ． 9 4 。 ， 最小理论顶角范围值为 l 3 。 ～ 1 3 ． 3 。 ， 可钻 通有效顶角数值在 1 3 ． 3 。 一1 4 ． 7 。 ， 单孔可钻通技术 顶角控制范围仅 1 ． 7 。 。具体计算结果数值见表 l ， 计算分析过程见图5 第 4 2卷第9期 黎文昌： 龙羊峡水电站左岸坝肩尾工超深定向排水孔施工控制技术 8 3 L 一 沿主坝轴线纵向结构剖面 开孔 4 号钻孔 L ． ! ： 鳗． 1 4 号钻 孔 3 号钻 孔 2 号钻孔 钻孔水平投影 I ． 皇 ： ． 1 1 ． 1 2 ： 垒 ． 1 3 号钻孔 2 号钻孔 沿钻孔 向纵剖面 图 4 钻孔参数综合分析计算 图( 单位 ： m) 表 1 理论顶角、 实际施工顶角及其最大最小控制数值 1 号钻孔 L ． 2 ： I 1 号钻孔 鼙 r =： 一 1 ％ | ： ： ： 蠕 |O．24~／ ／ 呈 l 19 ．3 3／ ‘ 蓥 『／ 霎 ． j31．5 r＼＼ 、 ／ 18_4 曷 l 1 2530廊道 253O 耵 |’ 卜 。 爹 P ：：一 | | = 3 口2 ． 4 7罨 | l 1 9 ． 6 6 ／ 卜 ’ I 。 喜 『／ 墓 ， 5 3 1 ． 5 r ＼ ＼ ’ 昌 l l 2 5 3 0 廊道 2 53 0 耵 探矿工程 ( 岩土钻掘 工程 ) 2 0 1 5年 9月 4 ． 3 实际施工顶角( 最大值 、 设计值 、 最小值 ) 计算 由于 A ri a s —A 3 2型潜孔冲击钻机 钻具偏垂度 较大( 说明书中偏 垂度 3 ％ ) ， 此因素成 了 4个超深 定向孔能否确保钻通 的关键影响因素之一 ， 必须考 虑。根据 4个孔孔深 8 0 m计算 ， 得 出4个孔终孔点 水平距因偏垂而缩短 2 ． 4 1"i "1 的事实 ， 按照上述理论 顶角计算方法重新计算后得 出： 4个孔最大实际施 工顶角范围值变为 1 6 ． 2 9 。 ～1 6 ． 5 9 。 ， 最小实际施工 顶角范 围值变为 1 4 ． 6 6 。 ～1 4 ． 9 6 。 ， 可钻通有效顶角 范围变为 1 4 ． 9 6 。～1 6 ． 2 9 。 ， 设计施工顶角范围变为 1 5 ． 6 5 。 ～1 5 ． 8 8 。 ( 按照 1 5 ． 7 5 。 控制开孔 ) ， 比理论设 计顶角高出 1 ． 6 5 。 ， 技术顶角控制范 围仅 为 1 ． 6 3 。 。 考虑偏垂后 ， 所 有顶角数 值 较理论 数值 均需 放 大 1 ． 6 。一1 ． 6 6 。 ( 均值 1 ． 6 3 。 ) 。 5 技术参数控制成果分析 经过计算可知， 4个孔的理论顶角设计值在 1 4 。 ～ 1 4 ． 2 3 。 ， 考虑偏斜 率 3 ％后 的实 际施 工顶角设计 值在 l 5 ． 6 5 。～l 5 ． 8 8 。 ， 实 际施工 顶角控 制范 围 1 4 ． 6 6 。 ～1 6 ． 5 9 。 完 全超过 了其理论 顶角控 制范 围 1 3 。～1 4 ． 9 4 。 ， 也就是说 ， 如果按照理论设计角度实 施钻进后 ， 其结果 将全部在 E L 2 5 3 0廊 道下方穿过 而报废。 另一方面， 因为 E L 2 5 3 0廊道截面尺 寸小 ， 四个 钻孔 可 钻通 的最 大最小 施 工顶 角差 值仅 1 ． 6 。～ 1 ． 7 。 之间， 实际技术顶角控制范 围仅为 1 ． 6 3 。 ， 技术 控制难度极高 ， 施工操作难度极大， 并且四孔方位角 与廊道走向方位角并不垂直 ， 风险度很高 ， 稍有疏忽 就会从 E L 2 5 3 0廊道 的上下 方穿过造成 钻孔报废 ， 并影响坝肩混凝土结构强度。 6 钻孔设备选择和施工工艺控制措施 6 ． 1 设备选择 钻孔设备选用 了 A t l a s —A 3 2型潜孔 冲击钻机 (自带高风压空压机) ， 配置 1 3 0 m m气动冲击 回转 潜孔锤 ( 偏垂度为 3 ％ ) ， 0 8 9 m m进 口钻杆 ， 并每隔 1 0 m安装一个导正器 ， 尽 力减小钻具的绕度 ， 确保 钻具在直线状态下工作 ， 避免 了因此而造成 的孔径 扩大和孔向跑偏 。 6 ． 2 参数控制 利用全站仪测量放置孔位点和钻孔方位角 。 钻 机就位 固定 ， 利用机杆顶点垂线原理和地质罗盘准 确校核钻机方位 ， 并初 步以 1 6 ． 7 5 。 顶角对准钻孔 ， 开孔采用中低挡钻压钻进 ， 开孔 0 ． 5 m范 围内每钻 进 2— 5 c m停钻校核钻具方位 、 顶角一次。在钻进 参数基本平稳后 ， 逐渐放大至每钻进 0 ． 5 m校核一 次 ， 直至第一节导正器人孔为止。 6 ． 3油压控制 开孔 中等钻压钻进至 4 0 m左右孔深时 ， 随着钻 具质量的增加逐渐提钻钻进 ， 从钻进技术上杜绝钻 压过大导致钻孔跑偏 ， 同时减少 了粗颗粒产生的数 量 ， 降低了粗颗粒重复破碎使孔径扩大孔 向跑偏 的 可能 。 6 ． 4 风压控制 随着孑 L 深 的增加逐渐加 大风压 并随时停 钻吹 孑 L ， 以避免深积沉渣重复破碎 、 孔径扩大而造成的钻 孔偏斜 ， 并提高了钻进效率。 7 结语 4个 8 0 m超深定 向排水孔全部 在预想的设 计 终孔点钻通至 E L 2 5 3 0廊道 ， 实践验证 厂所 做的技 术分析和所采取的钻进工艺控制方法是科学 的、 合 理的。同时也验证 了进 口 A t l a s 系列潜孔冲击钻机 说明书中钻具 3 ％的偏垂度 的科学性和真实性。从 技术角度上克服了潜孔钻具钻进超深定向孑 L 偏斜率 大的技术难题 ， 总结 出了瑞典 A t l a s系列潜孔冲击钻 机钻具施工超深定 向孔的科学技术成果 ， 为国内不 同行业同系列 A t l a s系列钻机施工超深定 向孑 L 提供 了科学依据 ， “ 震动冲击潜孔钻具钻进超深定 向孔” 堪称国内首例 ， 可为广大钻探工作者借鉴。 参考文献 ： ， [ 1 ] 张家军 液动潜 孔锤钻 进 l 艺在 舞 阳铁 l U 矿 易斜地 层的 用 [ J ] ． 探矿工程 ( 岩土钻掘 工程 ) ， 2 0 0 7 ， 3 4( 7 ) ． [ 2 ] 王建华 ， 苏 寿 ， 左新 明． 深孔 液 动潜 孔 锤 钻进 技术 与应 用 [ J ] ． 勘察科学技术 ， 2 0 1 1 ， ( 6 ) [ 3 ] 刘义 ， 唐群刚． 溪洛渡水电站 大直径 仰角深排水孔施 工技术研 究[ A] ． 地基基础_ [ 程与锚 固注浆技术 ： 2 0 0 9年地 基基础 程 与锚同注浆技术研讨会 论文集[ c] ． 2 0 0 9 ． [ 4j 苗强． 苏丹 E阿特巴拉水利 枢纽溢 流坝廊 道排水 孔施 技术 [ J ] ． 科技传播， 2 0 1 4 ， ( 2 1 ) [ 5 ] 陶兴华． 冲击旋转钻井破岩特点分析[ J ] ． 钻采工 艺， 1 9 9 6 ， ( 3) ． [ 6 ] 土人杰， 蒋荣庆， 等． 液动冲击回转钻探 [ M] ． 北京： 地质出版 利： ， 1 9 8 8 ． 1 7 ] G i ff i t h e ．A． A．P i l ．"l r a l s ．R [ M] ．S o c ．I I ) n d ．A 2 2 l ， L o n d ． 1 9 2 0 ． [ 8 ] B ． K ． 阿持金森． 岩石断裂力学 [ M] ． 尹 祥础 ， 等 译． 北京 ： 地震 出版社 ， 1 9 9 2 ．