基于大坝监测系统钻孔施工

唐 于

(贵州省石阡县水务局，贵州 石阡 555100)

基于大坝监测系统钻孔施工

唐 于

(贵州省石阡县水务局，贵州 石阡 555100)

倒垂线坐标仪是大坝变形监测的重要手段，测量精度较高、仪器结构简单、测量成本低、测量环境的防水性能好、自动化程度高，同时长期稳定性好，尤其适合应用在大坝监测恶劣环境。除了对可靠的监测仪器的成功选择，一个水利工程项目的安全监测系统不可或缺的还有气良好的设计和施工监控。结合工程实例，重点分析了倒垂线坐标仪在大坝监测系统钻孔施工中的应用。

大坝监测系统；垂直钻孔施工；结构设计；技术工艺；倒垂线坐标仪

1 工程概况

某水电站采用混合式、跨流域开发，其枢纽工程主要建筑物有：拦河坝、左岸和右岸电站进水口、左岸和右岸泄洪冲沙洞、引水隧洞、溢洪洞、导流洞、主副厂房及开关站、压力管道、调压室等。

某水电站的坝体总填筑量300万 m3，坝体防渗系统由面板混凝土、趾板、上游盖重保护以及上游帷幕灌浆组成。大坝基础防渗技术有帷幕灌浆和上游固结灌浆两种。某水电站混凝土坝顶长405m，顶宽9m，面板堆的石坝坝顶高程809m，最大坝高123m，上游坝面坡比为1∶1.3，下游坝面坡比为1∶1.6，下游坝面综合坡比1∶1.432。垫层区水平厚2.5m，下游坡面干砌石厚>0.9m，过渡区水平厚3.5m。

2 拦河坝工程地质条件

水电站所属的河流区域地形两岸基本对称，下坝址的河谷呈“V”型，坡度约34°～39°，河流呈近“W”流向。崩坡积厚度在左岸坝轴线和两坝肩下游较大，河床冲积层厚4～5m，两岸覆盖层厚度多在4～8m。坝基岩组包含T3ya1-4以及T3yb-1等。左岸崩塌体厚达18～25m，右坝肩厚达9～20m。岩石硬质岩稍多，软硬相间。岩层以接近于90°的走向陡倾下游，与河床近垂直，坝址为横向谷，部分局部倒转。因左岸坝肩和右岸坝肩各存在1条断层，导致下坝址地质构造较复杂，走向顺河向平移断层，同时不连续的两侧岩性导致地质更为复杂。

坝高2/3处无全风化层，大约高程 770m以下至河床段，弱风化岩层下限的埋深，强风化岩体厚度普遍较小：两岸坝顶高程为30～40m，在河床部位为8～15m。根据钻孔压水试验，Q≤3Lu相对隔水层顶板埋深的河床，透水率浅，河床部分较浅甚至只有20～30m，深度梯度向两岸加深，越过坝顶高程为45～50m，在F14断层带附近的深形成强透水带。

3 施工准备

3.1 钻孔结构设计

3.1.1 倒垂孔钻孔结构设计

根据工程地质条件和设计要求，本工程凿孔采用金刚石单导管进行。该项目计划用Φ330mm金刚石钻孔，钻孔深度等于孔导管长度，导管长度 2m，导管直径Φ320mm，管外水泥砂浆固结，然后使用金刚石单管Φ330mm、Φ280mm以及Φ220mm分别钻进至终孔；必要时，可采用变直径Φ180mm金刚石钻头终孔。

施工过程中粗径钻具厚径长度≥10m，确保倒垂孔垂直，结构设计见图1所示。

3.1.2 双金属标孔钻孔结构设计

根据工程地质条件和水电站主体的双金属孔设计要求，采用金刚石单管孔钻。双金属金刚石钻探的标准孔为Φ430mm，孔管长度等于钻探深度，管孔长 2m左右，直径Φ377mm，管道水泥砂浆加固，然后采用Φ330mm终孔。

施工过程中，厚径长度≥10m，同时确保双金属标孔的垂直精度。

3.2 钻进技术参数的确定

施工过程中，为了确保垂直钻孔精度，防止孔偏差，必须严格控制和调整钻井参数。孔底的钻压控制在2～2.5MPa，速度65～95r/min，冲洗液量80～110L/min，钻井速度控制在0.5cm/min左右，严格控制回次进尺以及控制钻进速度调整钻井参数[1]。

3.3 钻机的安装与调整

倒垂孔安装是检测系统运行中的重要环节之一，必须认真对待。钻机安装在木质底座，然后使用3根18#通道的光束通过1个螺旋榨油机预埋，将底座牢固的固定在坝面，确保钻机安装稳固水平，同时松开螺钉钻时可以前、后、左、右四自由度运动，以适应钻机在钻孔纠斜时能够平面位移。钻机安装后，校正钻轴双经纬仪，上、下死点的控制和孔中心的控制偏差<1mm。

3.4 孔口导向管的安装与调整

孔口导向管下入时，该孔距离管底的距离应约20cm，导向管孔悬浮在孔内，并严格细致的调整其垂直精度。垂直精度高于倒垂孔的精度，中心偏差在 2mm为事宜，调整灌入水泥砂浆，加固孔壁[2]。

图1 倒垂孔钻孔结构设计图

4 造孔钻进施工工艺

在钻孔施工中，井斜控制是倒垂孔施工的一个关键环节，在整个施工过程中，必须严格控制钻井参数和钻井速度，通过控制钻井参数来控制和调节钻井速度。禁止盲目追求施工进度，必须始终坚持“以防跑偏”，及时纠斜和定时测斜的原则，采取综合有效防止斜纠斜措施，确保满足设计要求[3]。

4.1 开孔钻进

按设计图纸测量放样，确定位置误差<±2cm。在钻井施工之前，应重新打样垂直轴中心，使其与导向管的中心重合，开孔钻进采用合金钻具进行，同时钻孔应轻缓化钻井压力。

4.2 孔身钻进

导管插入孔钻连接孔，垂直轴的下端置于孔口导向管内，逐渐调整X，Y2个方向的误差，精度控制在1mm以内为宜。在金刚石钻进向内开孔时，使用直径<2的钻杆扶正器，随着孔深度的延伸，逐步扩大径具规模的大小，直到达到10～12m。必要时，也可以扩展，形成管钻井工具，以确保可靠导向性。

4.3 正常钻进与纠斜钻进

正常钻进时，尤其是在钻井过程中，用长的细直径钻；倾斜钻孔，钻杆无导(不用钻杆导向器)，采用短钻具，严格控制进尺。

4.4 钻杆扶正器

大直径钻管应安装钻杆扶正器，固定旋转钻头，消除由于钻杆弯曲孔累积的偏差。本工程项目中计划采用翼式钻杆扶正器，外径方向镶以保径合金，减少孔径磨损。

4.5 钻进冲洗液

采用清水钻进混凝土孔段，岩石的孔段采用乳化液乳化冲洗，润滑钻井，减少阻力，延长钻头寿命，提高效率，保证钻头垂直精度。

4.6 采用较小的钻进参数

垂直轴的转速和钻压是控制钻进速度、防止孔斜、确保正常钻进，钻压不得使用。浅孔钻进时，可以使用大直径钻孔工具减小钻进井底压力，深钻孔应减压钻孔，使钻具呈微拉状态。

4.7 施钻技术要求

钻井施工时，上部和下部钻应光滑平稳，不允许硬墩或拉力强，钻头卡住时要进行原因分析，正确处理，提钻时，为了防止变形、弯曲，允许猛甩钻杆。每一次进行大直径钻孔时，钻杆螺纹连接部分应涂黄油，容易拧卸。

4.8 岩心采取

在岩心采取时，为了保证钻孔的岩心采取率，卡料规格应符合要求，每回投入输入卡取心，争取一次性成功。钻孔测斜仪孔倾向必须满足要求，确保继续开采后的恢复。

4.9 钻孔变径

孔的长度等于直径的长度，然后拆下导向工具。直径钻孔时，应该采取一个小、轻、慢的转钻进参数进行施工。

4.10 定时测斜

每米测定孔斜1次，即定时测斜，并记录于调查表，把握与分析定时测斜的变化数据，如发现偏差超过规定范围时，应立即采取纠正措施，防止过度倾斜引起的挠度。在捞尽孔内岩心及沉淀物以后，在进行测斜工作，确保数据的准确性。

操作步骤如下：

1)调查设置水箱和水箱架，基本保持水平。

2)箱内注水，一直到浮在表面的物体自由浮动的时候可以停止注水。

3)用铁丝连接鼓形测斜仪，通过绕线架控制，在预测孔深内，安置鼓形测斜仪。

4)在浮体上安置绕线架，浮体平稳后测量孔斜，在孔的十字坐标上测量横向和纵向挠度值。

5)坐标和横坐标原点的距离是孔板中心挠度值。

4.11 钻孔验收

终孔以后，应清除孔内残留，立即清洗孔，然后从底部到上部每1m或2m逐段测斜。经验收合格后，下入垂线保护管。

5 结 语

由于仪器的埋设过程中经常出现与其它工序施工相冲突的情况，必须在埋设过程中进行必要的协调。在保证施工质量的前提下，应该尽量避免影响其它工序的施工，保证不因埋设仪器而耽误工期，并避免因为其它工序的施工不当而造成仪器、电缆的损坏。施工过程中，工作人员必须戴好安全帽，灌浆人员带好防护手套。

[1]张彩云.浅谈大坝监测系统钻孔施工与控制[J].内蒙古水利，2008(01)：103-104.

[2]王旭东,蒋敏智.大坝监测设备施工钻孔技术[J].浙江水利水电专科学校学报，2005，17(04)：40-41.

[3]姚锋杰.汾河二库大坝垂线孔施工工艺探讨[J].山西水利，2003(01)：40-41.

BriefDiscussiononDrillingConstructionforDamMonitoringSystem

TANG Yu

(Guizhou Province Shiqian County Water Conservancy Bureau，Shiqian 555100，China)

Inverted pendulum telecoordinometer is an important method for dam deformation monitoring；it has the advantages of measurement instrument precision，simple structure and low cost ，waterproof properties for measurement environment，good measurement，a high degree of automation，and good long-term stability，especially suitable for application in harsh environment of dam monitoring.In addition to the successful selection of reliable monitoring instrument，good design and construction monitoring are indispensable for a water conservancy project besides a good integral safety monitoring system.Combined with the engineering example，the paper focuses on the analysis of the application of inverted pendulum telecoordinometer in drilling construction for dam safety monitoring system.

dam monitoring system；vertical drilling；structure design；technology；inverted pendulum telecoordinometer

1007-7596(2014)03-0039-03

2013-10-12

唐于(1965-)，男，仡佬族，贵州石阡人，工程师，从事水利水电施工及管理工作。

TV547.5

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