1、黄河小浪底水利枢纽地下排水系统排水孔施工技术研究报告DOC1 前 言小浪底水利枢纽工程，在黄河治理与开发的系统工程中，处于无可取代的战略地位。它位居于河南省洛阳市以北40公里的黄河干流上，控制黄河流域总面积的92.2%，控制黄河径流量 91.2%，控制黄河输沙量的100%。其开发目标是“以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电，蓄清排浑，综合利用，除害兴利”。它以其宏大的工程规模、复杂的水文、泥沙和地质条件、苛刻的运行要求，被国内外专家公认为是世界坝工史上最具挑战性的工程之一。小浪底水利枢纽工程成功地解决了“进口泥沙淤堵、高流速含沙水流、洞室群围岩稳定、大坝深厚复盖层防渗处理、水轮机的抗泥
2、沙磨蚀、进出口高边坡稳定、水库运行方式、水库诱发地震、水库蓄水后库岸稳定”等一系列重大技术难题。其中在“洞室群围岩稳定”、“进出口高边坡稳定”这些世界性技术难题攻关上，开创性地设计了科学合理的地下排水系统工程。排水系统的主体工程为排水孔，排水孔施工分为两大子项工程，一是排水孔钻进，二是排水滤管的加工与安装。自1995年以来，我单位在小浪底工区先后承接了7.2万延米的排水孔施工任务，总产值达1500万元，为了保证优质高效地完成任务，我们对排水孔施工技术进行了全面深入地研究和实验，力求把目前国内外最先进的技术开发应用到小浪底水利枢纽排水孔施工中。 我们经过一系列的研究与实践，臻于完善排水孔施工技术
3、，采用风动潜孔锤钻进技术进行排水孔钻进，利用自行研制的PVC滤管加工设备进行PVC滤管加工，综合运用这一先进的排水孔施工技术，取得了十分可观的经济效益，单是我们一个单位，就降低成本达到360万元以上。由我单位率先开发应用的潜孔锤钻进技术和PVC滤管加工技术，在小浪底工区相继被中国水利水电基础工程局、中国水电一局等单位推广应用。应用这一先进技术，在小浪底水利枢纽工程中，共完成排水孔施工11.6万延米，创产值2420万元，节约经费600万元，以显著的经济效益和社会效益，证明了该技术在排水孔工程施工中的技术可行性、先进性；与此同时也有力地证明了“科学技术是第一生产力”这一科学论断。2 地下排水系统设
4、计2.1排水系统的目的意义及作用为了有效地提高洞群室围岩的稳定性以及进出口岸高边坡的稳定性；保证水利枢纽良好可靠地运行；提高岩体特别是其泥化夹层的抗剪强度，首先必须降低地下水位。降低地下水位渗控工程就是地下排水系统。2.2排水系统总体设计方案小浪底水利枢纽工程地下排水系统，主要包括消力塘边坡、左岸单薄分水岭、地下厂房这三处地下水排水系统；此外，还包括右岸山体地下水排水系统及东苗家滑坡体内排水系统。2.2.1消力塘边坡地下水排水系统小浪底水利枢纽消力塘为预开挖有衬砌水垫式。为建造消力塘所开挖的上游边坡最大高度80m左右，而所有的泄洪建筑物出口就座落在上游边坡的不同高程上。由于泄洪建筑物的独特布置
5、，消力塘上游边坡的稳定性将直接影响到泄水建筑物出口、消力塘乃至整个枢纽的安全运行。因消力塘上游边坡存在有倾向坡外的软弱夹泥层，工程运行后左、右侧边坡地下水位约为145m，也需要降低地下水位，因此，对消力塘边坡地下水排水系统的设计方案如下图所示： 排水洞 消力塘图2-1 消力塘排水系统平面布置图洞顶斜排水孔孔径100mm 排水洞L-15m600 洞侧斜排水孔孔径100mm L-15m450 排水沟垂直排水孔孔径100mm L-10m图2-2 消力塘排水系统排水孔设计示意图2.2.2 左岸单薄分水岭地下水排水系统左岸单薄分水岭内外集中布置有洞群、地下厂房、开关站等重要建筑物。为保障山体稳定和建筑物
6、的安全，在这里布置了一个科学的地下水排水系统。 地表线 3号排水洞 落水孔 4号排水洞 F238断层 落水孔 F236断层28号排水洞 29号排水洞 30号排水洞 2号排水洞图2-3 左岸单薄分水岭排水系统示意图左岸单薄分水岭地下水排水系统，主要由水平排水系统和垂直排水系统组成，前者为处于不同高度上的水平排水洞，包括2号、3号、4号、28号、29号、30号排水洞等，后者为将不同高程的水平排水洞在垂向上贯穿起来的落水孔。2.2.3地下厂房地下水排水系统地下厂房位于左岸“T”形山梁交汇处的腹部，距主坝防渗帷幕处约40m左右。水库蓄水后，厂区周围地下水位将逐渐升高。为使厂房内有良好的工作条件，建筑物
7、及机电设备有较长的使用年限，做好地下水排水工作是必须的，同时也是能否保证地下厂房围岩稳定，喷锚支护能否长久作用的关键所在。地下厂房地下水排水系统作用就是降低地下厂房周围的地下水位，保证地下厂房围岩稳定，使地下厂房有良好的工作条件。排水系统设计方案如下： 28号排水洞 北 厂房 安装间 副厂房 6条发电引水洞 主变室 尾水闸门室 1号尾水闸 3号尾水闸 5号尾水闸图2-4 地下厂房28号排水洞平面布置示图 排水孔顶线EL-220.0 排水孔顶线 EL-198.0 28号排水洞 4号排水洞 落水孔 30号排水洞 落水孔 落水孔 排水孔底线EL-85.0 32号排水洞 排水孔底线EL-100.0排水
8、孔产状28号洞上763.50 SW2100700763.00 NW350070028与30号洞间763.50 NW3500700763.00 90030号洞下763.50 NW3500700763.00 900图2-5 地下厂房排水系统设计示意图2.3小浪底排水系统的独有特性小浪底水利枢纽工程在设计和建设中创下了多项世界纪录和中国第一，它是世界上洞室布置最密集的水利工程；消力塘是目前中国最大的两级消能消力塘；地下厂房是目前国内在砂页岩不良地质条件下开凿的最大地下厂房。正因为如此，小浪底排水系统也最具有其特色性。在消力塘部位，设计了一条888.5m长的排水洞，在其排水洞的上游侧边墙和洞顶设计斜孔
9、排水，在其排水洞的底部设计铅直孔排水，以满足排水需要。在洞群集中布置的左岸单薄分水岭，设计了立体交叉的排水系统。水平排水由不同高程的6条排水洞构成，在其排水洞的顶部和下部设计了不同的排水斜孔。垂直方向设计了落水孔，使部分排水排入孔板洞，并沿孔板洞排出山体。在地下厂房部位，设计了两层封闭的排水洞系统，在其排水洞的顶部和下部设计了不同的排水斜孔，两层封闭的排水洞之间，通过8B交通洞、8号交通洞以及3号尾水洞中的垂直落水孔将二者沟通，形成了排除地下厂房外围的两层排水洞系统。2.4排水系统工程规模因为小浪底水利枢纽工程排水系统的复杂性，决定了其排水系统工程规模的宏伟性。表2-1 小浪底水利枢纽工程主要
10、排水区域工程规模 区域 项 目消力塘单薄分水岭地下厂房合 计排水洞（m）888.516605123060排水孔 (m)4644286818267771600373 排水系统施工地质环境3.1地质概况小浪底水利枢纽工程，地质条件复杂，泄洪建筑物和引水发电系统全部布设在左岸单薄分水岭，排水系统工程也大都布设在该区域。左岸单薄分水岭，由T13、T14、T15岩组组成的山梁，地层倾向近于东，倾角90120。F28断层斜切分水岭，F236、F238两断层贯穿分水岭，从水库延伸到下游。在软、硬岩相间的T15-1、T15-2、T15-3各岩组中，分别发育有4、7、6层泥化夹层。3.2工程地质特性工程地质特性
11、主要是由岩体强度决定，岩体强度是岩体工程地质分类的重要指标，是决定岩体裂隙发育程度的重要条件。小浪底水利枢纽工程排水系统所处地层主要由T13、T14、T15岩组组成，其中F236、F238断层带由泥和角砾组成，其影响带内有小断层伴生。T13又分为T13-1、T13-2岩组，T13-1岩层以紫红色厚层、巨厚层状硅质、钙硅质石英细砂岩为主，夹薄层泥质粉砂岩与粉砂质页岩；T13-2以紫红色厚层、巨厚层状泥钙质、钙泥质粉细砂岩（坚硬）为主，夹钙质、硅钙质细砂岩（极坚硬）；T14岩组为紫红色厚层、巨厚层状硅质、钙硅质石英细砂岩，有少量钙质细砂岩，夹薄层泥质粉砂岩与粉砂质页岩；T15又分为T15-1、T1
12、5-2、T15-3岩组，T15-1岩组为紫红色中厚层状硅质细砂岩与泥质粉砂岩或粉砂质粘土岩互层；T15-2为紫红色厚层、巨厚层状硅质、钙硅质石英细砂岩，有少量钙质细砂岩，夹薄层泥质粉砂岩与粉砂质页岩；T15-3中上部以钙硅质细砂岩为主，夹薄层钙泥质粉砂岩，中下部以钙质粉细砂岩为主，夹少量中厚及薄层泥质粉砂岩。受F236、F238断层带影响，岩体中裂隙发育且多为高倾角裂隙，一般都大于770。3.3水文地质特性小浪底水利枢纽工程排水系统水文地质特性尤为复杂，概括起来讲，岩性、断层和风化卸荷作用是影响裂隙发育规律的主导因素，左岸单薄分水岭岩体中的裂隙是地下水渗流的主要水径。其水文地质情况可分为层状、
13、带状和壳状三种渗透结构。（1）层状渗透结构：砂岩类透水地层其裂隙倾角陡，与层面近于垂直，垂直渗透性近于顺层渗透性，如T14、 T13-1岩组；泥岩类微（弱）透水层其垂直渗透性大于顺层渗透性，如T13-2岩组；砂泥岩互层类透水地层，有以上两种特性。（2）带状渗透结构：断层是本区的主要地质构造现象，它对裂隙的走向和隙宽均具有控制性的影响。在断层附近的区域内，较大的断层都会形成一个受断层影响而裂隙比较发育的带，这个带在平面上是一种线状构造，断层的透水性也往往呈带状分布，如F238、F236形成的强透水带。（3）壳状渗透结构：表面风化卸荷作用使具有临空条件的岩体裂隙遭受不同程度的拉开，形成了强透水的壳
14、状渗透结构。4 排水孔工程施工技术方案优化4.1排水孔设计无论是隧洞内的径向孔，还是排水廊道内的排水孔，在我国现行规范内，都未对排水孔的方向问题进行过分析。因此，在隧洞内用等夹角的径向孔，在排水廊道内用铅直孔，需要两排排水孔，但受到场地限制时，采用向上游倾斜的一种固定模式的钻孔进行排水。这些排水孔的排水效果是有限的，很难充分地起到降低地下水位或扬压力的作用。勿庸置疑，最佳的排水孔方向应该是穿过最多最宽裂隙的方向。小浪底排水系统工程特殊的水文地质条件决定了如下的水径分布规律：坚硬岩体的断层及其影响带内的地下水溢出点和溢出量最大，多分布陡倾角裂隙；硬软岩互层以及较软岩断层及其影响带的地下水溢出量较
15、少；较软岩的层面及其构造裂隙面几乎是不透水。针对这样的水文地质条件，小浪底排水孔多数设计为斜孔。道理很明白，在陡倾角裂隙岩层内用斜孔排水是好方法。排水斜孔的三要素为：斜孔方位、斜孔倾角、斜孔孔深。小浪底排水斜孔设计参数如下表。表4-1 排水斜孔参数表地层岩性斜孔方位斜孔倾角斜孔孔深T15-3SW26004501830mT16-1SW26004501830mT15-2SW21006002025m断层组SW21006002025m4.2排水孔钻探施工技术方案系统检索首先对排水孔钻探施工技术，在因特网上进行系统地检索。排水孔施工的常用方法为：金刚石回转钻进法、金刚石液动冲击回转钻进法、硬质合金回转钻
16、进法、硬质合金液动冲击回转钻进法、风动潜孔锤冲击回转钻进法、钢粒钻进法（仅适用于铅直向下孔）。针对小浪底排水孔的工程地质情况，结合小浪底排水孔设计方法，进行可行性分析。我们查阅了长江三峡永久船闸排水孔施工资料、黑龙江莲花水电站排水孔施工资料、陕西韩城电厂山体排水孔施工资料，借用工程类比法对各类钻进方法进行了分析统计，以确定出一个合理的排水孔施工技术方案。小浪底排水孔各类钻进方法适用情况见下表。表4-2 小浪底排水孔各类钻进方法适用情况一览表地层岩 性钻孔 设计金刚石回转钻进金刚石液动冲击回转钻进合金回转钻进合金液动冲击回转钻进风动潜孔锤钻进钢粒钻进T13-1硅钙质石英岩：坚硬、致密、弱研磨性洞
17、顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T13-2硅泥质粉细砂岩：坚硬洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T14钙硅质石英岩：坚硬、致密、弱研磨性洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T15-1硅质细砂岩：坚硬；钙泥质粉砂岩洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T15-2钙硅质石英岩：坚硬、致密、弱研磨性洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T15-3钙硅质细砂岩：中硬洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔其一由于小浪底水利枢纽排水孔工程的地质条件复杂，按岩石强度可分为极坚硬地层、坚硬地层、中硬地层；按岩石可钻性级别可分为、级；按岩石的研磨性质可分为中等研磨性、弱研磨性。其二由于小浪底排水系统方式的复杂性，在排水钻孔的设计上也出现了多样性，有排水洞洞顶斜孔、排水洞洞侧斜孔，斜孔
18、的孔向、倾角也不尽相同。有洞顶铅直孔、洞底铅直孔。以上两个因素决定了排水孔的施工方式，有很大的差异性，那一种方式最科学合理，必须经过实践来鉴定。4.3小浪底排水孔钻探施工生产性试验 1995年我单位承担了小浪底水利枢纽消力塘排水洞排水孔工程施工任务。该工程排水孔工程量6000m，排水孔分为洞侧水平孔、洞顶斜孔、洞底铅直孔，孔深约为1530m，孔径为110mm。施工中，我单位依据由计算机检索工程类比法选定的施工方法，进行生产性试验。为了找到一种先进的小浪底排水孔施工技术，进行了多种钻进技术实验研究。这些钻进技术包括有：硬质合金回转钻进技术、钢粒钻进技术、金刚石回转钻进技术、金刚石液动冲击回转钻进
19、技术、风动潜孔锤钻进技术。通过一系列生产性试验，而后进行生产性试验成果统计，汇总出“小浪底排水孔施工技术生产性试验成果统计表”。表4-3 小浪底排水孔施工技术生产性试验成果统计表 钻进方法设备器材合金回转钻进钢粒钻进金刚石回转钻进液动冲击回转钻进风动潜孔锤钻进一、施工设备钻机型号/台数XY-2/1XY-2/1XY-2/1XY-2/1MK-3/1主要辅助设备水泵1台水泵1台水泵1台高压泵1台空压机1台主要使用器材钻杆、钻塔钻杆、钻塔钢粒钻杆、钻塔液动冲击器、高压胶管钻杆、高压风管钻 具110合金钻具110铁砂钻头110金刚石钻具110金刚石钻具DHD-340A潜孔锤二、施工成果完成工作量(m)3
20、502008004224228施工天数2218411391日进尺量(m)15.911.1119.5132.4646.50质量等级合格合格优良优良优良完成产值（元）630003600014400075960761040施工成本（元）39208188008640047898296806每米成本（元）112.0294.00108.00113.5070.20技术评价差差一般一般好4.4排水孔施工技术方案的确定。小浪底水利枢纽排水系统施工技术研究，运用计算机对国内外相关技术进行详尽检索，初步确立几种可供选择的排水孔施工技术方案。在此基础上进行排水孔施工技术生产性试验，对各种施工技术成果进行综合评价，评价
21、主要包括生产效率、成果质量、经济效益等方面。把金刚石回转钻进技术的各项指标作为参照基数1，各种技术方法效果对比见下表：表4-4 排水孔施工技术效果对比表 技术方法 效果分类金刚石回转钻进金刚石液动冲击回转钻进合金回转钻进钢粒钻进风 动潜孔锤钻进日进尺量11.60.810.572.38每米成本11.051.040.870.65质量110.70.71由上表可以明显地看出，风动潜孔锤技术的各项技术指标都是最优的，效率日进尺量是金刚石回转钻进的2.38倍，每米成本仅是金刚石回转钻进的0.65，质量和金刚石回转钻进相同。经过大量的研究和试验工作，我们最后确定了小浪底排水孔施工技术方案采用风动潜孔锤钻进技
22、术。5 潜孔锤钻进技术5.1潜孔锤钻进技术的发展及现状潜孔锤钻进技术，又称风动潜孔锤冲击回转钻进技术，属于空气钻进技术的一个分支，它利用压缩空气作钻进工作介质，驱动孔底冲击器（潜孔锤）破碎岩石，同时利用压缩空气作为钻进循环介质，冷却钻头、排出孔内岩粉。这是空气钻进技术在破岩方式上的一次突破。潜孔锤钻进技术，最早是在20世纪30年代美国人提出这样的设想，但由于受当时的条件限制，没有进行试验和生产。但时隔不到20年，即20世纪40年代末，潜孔锤钻进技术就开始应用到露天的井下采矿。这项先进的钻进技术一开始就受到一些发达国家的高度重视，20世纪5060年代，对这种钻进技术在理论和实践上进行了大量的探讨
23、和研究，使之不断发展与完善。20世纪70年代，潜孔锤钻进技术逐渐应用到水文水井钻探工作上。80年代，美国水文水井钻进中采用潜孔锤钻进占到总工作量的75%，前苏联、澳大利亚等国家广泛采用潜孔锤钻进技术，在坚硬岩层、卵砾石类砂矿和水文水井钻进中都取得了良好的效果。20世纪80年代以来，潜孔锤钻进技术在我国得到迅速发展。这项技术作为“多工艺钻进技术”项目的课题之一，列入原地质矿产部“七五”重点科技攻关项目。1990年通过技术鉴定，1992年被国家科委列入“国家科技成果重点推广计划”。目前，在全国有近百家地质勘察院（所）推广这项新技术，在水文水井、矿山开采 、水电工程施工、边坡及危岩锚固工程等方面大量
24、应用，呈现出方兴未艾之势。5.2潜孔锤钻进工作原理潜孔锤又称风动冲击器，潜孔锤钻进也称谓风动潜孔锤钻进，或者称潜孔锤冲击回转钻进。潜孔锤钻进工作原理：靠钻机施给的轴心压力（静压力），以保证孔底钻头与岩石的紧密接触；潜孔锤（风动冲击器）产生的冲击功（冲击力），以冲击剪切方式破碎岩石，钻机施给的回转力，以实现潜孔锤（风动冲击器）在孔底不断接触新鲜岩石工作面。和液动冲击回转钻进相比，主要是冲击碎岩原理，孔底岩石主要是在冲击动载作用下被破碎。 图例： 1 钻机轴向压力 2 钻机回转力 3 潜孔锤动载冲击力 4 岩石面 5 岩石破碎区图5-1 潜孔锤钻进工作原理示意图从潜孔锤钻进的工作原理分析，可以对潜
25、孔锤钻进原理有一个宏观方面的了解。从微观进行研究，来自潜孔锤的动载冲击力，是潜孔锤钻进的核心力，研究潜孔锤钻进原理的核心问题，归根到底就是要研究潜孔锤工作原理问题。 潜孔锤形式有多种多样，按配气方式来划分，可分为有阀潜孔锤和无阀潜孔锤两大类；按排气方式来划分，可分为旁侧排气潜孔锤和中心排气潜孔锤两大类。 所谓有阀潜孔锤，也就是说这类潜孔锤的活塞上下运动，是依靠配气阀控制高压气体的流向来实现其工作的。 所谓无阀潜孔锤，也就是说这类潜孔锤的活塞上下运动，是依靠气缸壁上的设置控制高压气体的流向来实现其工作的。5.2.1有阀潜孔锤的工作原理J-200B是一种典型有阀式中心排气潜孔锤。其结构如下图。潜孔
26、锤工作时，压缩空气由接头1及止逆塞20进入缸体。进入缸体的气流分为两路，一路经阀座8、配气杆8、活塞的中心通道、钻头23的中心孔，进入孔底吹洗孔底岩粉、风冷钻头；另一路进入板状阀7的配气机构并且借助配气杆的配气实现活塞的往复运动。潜孔锤工作时，来自活塞的冲击功能，通过钻头直接传至孔底岩石。在这种情况下，缸体并不承受冲击载荷。为防止潜孔锤的空打，在结构上是用防空打孔来实现。配气机构系由阀盖6、阀片7、阀座8及配气杆8等组成。配气原理可分返回行程的工作原理和冲击行程工作原理。返回行程的工作原理：返回行程开始时，阀片7及活塞9均处于右图所示位置，压气经阀片7后端面、阀盖6上的轴向孔与径向孔进入内外缸
27、体间的环形腔，至气缸前腔，推动活塞向上运动。此时，气缸上腔经活塞9及钻头23的中心孔与孔底相通，活塞9在高压气流作用下加速向上运动。当活塞9端面与配气杆8开始配合时，上腔排气孔道被关闭处于密封压缩状态，于是活塞开始减速运动，当活塞杆端面越过衬套上的间隙时，进入下腔的高压气流经钻头中心孔排至孔底，活塞失去动力在上腔被压作用下停止运动。与此同时，阀片下侧压力逐渐升高，上侧则经前腔进气孔道、钻头中心孔与大气相通，大压差作用下，阀片迅速移向上侧，关闭下腔进气路，开始了冲击行程的配气工作。 冲击行程的工作原理：冲击行程开始时，活塞和阀片均处于极上位置，压气阀经阀盖和阀座的径向孔进入气缸上腔，推动活塞高速
28、向下运动，冲击钻头。当活塞行止衬套的花键槽被关闭时，下腔压力开始上升，于是活塞上端中心孔离开配气杆，使上腔与大气相通，压力降低，工作行程便结束。当活塞冲击钻头尾部之后，阀片由于其上下压力差的作用，进行换向，使活塞重复返回行程的动作。图5-2 J-200B有阀潜孔锤 图5-3 W-200型无阀潜孔锤5.2.2无阀潜孔锤（冲击器）的工作原理无阀潜孔锤（冲击器），最具有代表性的无阀潜孔锤是W200型（见上图5-3）。它未设置配气阀，其控制活塞往复运动的配气系统布置在活塞或气缸壁上，当活塞运动时，自动进行配气。这类潜孔锤的显著特点是：其一，能够利用压气的膨胀功推动活塞继续运动。从而减少了动力气的消耗，
29、与有阀潜孔锤相比，压气消耗可节省30%左右。其二，减少了配气装置，可防止因阀片磨损而失效的现象，结构简单且加工方便，这是潜孔锤在设计上的重大的突破性技术改进，现行施工多用无阀潜孔锤。活塞上行的工作原理：压缩气体由钻杆进入潜孔锤后，止逆阀4被打开，压缩空气进入潜孔锤内腔，沿内缸8与外缸9之间的环状间隙，经活塞的环腔进入下气室，推动活塞上行。当活塞上行止至下段活塞d点，封闭内缸下口a后，压缩空气停止向下气室进气。这时活塞靠下气室内压缩空气的膨胀，继续推动活塞上行。潜孔锤活塞冲击的工作原理：当活塞的上段b点超过c点以后，由于活塞的中间环腔与内缸的上气室连通，压缩气体就进入气缸的上气室，此时活塞已接近上死点，靠惯性向上移动，上气室聚集能量，以驱动活塞迅速下行，将最大的冲击能量施加于钻头开始作功。5.3潜孔锤结构组成及功用潜孔锤（冲击器）是在孔内进行作功，要求其组成构件要少，而且能发挥最大潜力。潜孔锤主要是由配气装置、活塞、气缸外套、卡钎套、异径接头等组成。（1）配气装置：其作用是将钻杆输给的压缩空气分别送到气缸的前、后室（上、下室），使活塞作往复运动而冲击钻头。因为潜孔锤的冲击频率较高，要求配气装置必
