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，四川都江堰611830)

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178 m，库容247亿m3，共安装4台机组，总装机容量128万kW，年发电量60亿kW·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1277 m。主坝长396 m，坝顶高程 2610 m，最大中心角 85°02'39″，外半径265 m，拱冠断面坝顶厚15 m，坝底厚80 m，厚高比0.45，弧高比2.21，共分18个坝段，设纵缝和横缝。右岸重力墩长103.35 m，左岸重力墩长57.18 m。副坝2座，最大坝高43 m，坝顶宽7 m，总长约700 m。

电站建设从1976年开始，1979年11月实现工程截流;1982年6月开始浇筑主坝混凝土;1986年10月15日导流洞下闸蓄水;1990年主坝封拱至2610 m高程;1992年竣工(工程效果见图1);1993年工程销号，未完项目转入工程尾工工程。2004年2月该工程被青海省建设厅、青海省建筑业协会授予“青海省2003年度工程质量特别奖”荣誉称号。

图1 龙羊峡水电站工程效果图

2 定向排水孔工程背景

1996年7月开始对左岸EL2585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1999年4月开始补充施工左岸EL2585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EL2530排水廊道(2 m×2.5 m)的排水孔因当年在EL2585高程未能施工，而现今必须移至坝肩EL2610坝面施工，孔径130 mm，理论钻孔顶角14°，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EL2585高程引至坝肩EL2610坝面，并将因EL2585廊道端头地质钻无法施工的4号孔也引伸至EL2610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 m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 m，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。

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25 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号孔开孔点右移2.6 m，终孔点左移0.8 m;4号孔开孔点右移2.9 m，终孔点左移1.2 m。

图3 沿副坝轴线纵向剖面示意图(单位:m)

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°、10°、12°。

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79.9～79.98 m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EL2530廊道，顺利排出基岩渗水，需要以EL2530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14°～14.23°范围内，最大理论顶角范围值为14.7°～14.94°，最小理论顶角范围值为 13°～13.3°，可钻通有效顶角数值在13.3°～14.7°，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1，计算分析过程见图5。

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

图5 1、4号孔最大最小理论顶角分析图(单位:m)

4．3 实际施工顶角(最大值、设计值、最小值)计算

由于Atlas－A32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80 m计算，得出4个孔终孔点水平距因偏垂而缩短2.4 m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16.29°～16.59°，最小实际施工顶角范围值变为14.66°～14.96°，可钻通有效顶角范围变为14.96°～16.29°，设计施工顶角范围变为15.65°～15.88°(按照 15.75°控制开孔)，比理论设计顶角高出1.65°，技术顶角控制范围仅为1.63°。考虑偏垂后，所有顶角数值较理论数值均需放大1.6°～1.66°(均值 1.63°)。

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14°～14.23°，考虑偏斜率3%后的实际施工顶角设计值在 15.65°～15.88°，实际施工顶角控制范围14.66°～16.59°完全超过了其理论顶角控制范围13°～14.94°，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EL2530廊道下方穿过而报废。

另一方面，因为EL2530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1.63°，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EL2530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Atlas－A32型潜孔冲击钻机(自带高风压空压机)，配置130 mm气动冲击回转潜孔锤(偏垂度为3%)，89 mm进口钻杆，并每隔10 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16.75°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 cm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，直至第一节导正器入孔为止。

6．3 油压控制

开孔中等钻压钻进至40 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

随着孔深的增加逐渐加大风压并随时停钻吹孔，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80 m超深定向排水孔全部在预想的设计终孔点钻通至EL2530廊道，实践验证了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Atlas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孔偏斜率大的技术难题，总结出了瑞典Atlas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Atlas系列钻机施工超深定向孔提供了科学依据，“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。

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