丰满大坝坝体排水孔孔底定位检测方法研究

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(1.松花江水力发电有限公司丰满大坝重建工程建设局，吉林 吉林 132108；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430011)

1 概述

丰满水电站位于吉林省吉林市境内的松花江上，1937年日本侵占东北时期开工兴建，是当时亚洲规模最大的水电站，1942年大坝蓄水，1943年5月29日首台机组投产发电。大坝使用70年后，2012年10月18日，国家发展改革委在官方网站上公告核准了吉林丰满水电站全面治理(重建)工程。重建工程为碾压混凝土重力坝，最大坝高94.50m，坝顶长1068.00m，坝顶高程269.50m。水库正常蓄水位263.50m，总库容103.77亿m3。新建电站安装6台单机容量为200MW的水轮发电机组，利用三期2台单机容量140MW的机组，总装机容量1480MW。

排水孔为排除坝体内部渗水所设置的竖向管道，主要作用是降低坝体浸润线位置，减小渗透压力。除了薄拱坝外，重力坝和其他拱坝一般都设置坝身排水管。

坝顶排水为位于大坝上游侧贯穿坝内各层廊道、上至坝顶或溢流堰顶附近的铅直排水孔幕，排水孔采用钻孔，单排间距3m。左、右挡水坝段排水孔顶高程为269.25m，溢流坝段孔顶高程为246m，厂房坝段孔顶高程为269.25m，排水孔单排布置间距3.0m(厂房坝段有管段2.5m)，直径150mm。排水孔孔底出口与廊道上游侧拱顶相通，并通过PVC钢丝增强软管将渗水引入廊道底部排水沟，集中排出。坝体排水孔设计592个孔，钻孔17860.3m。

廊道排水孔预留槽投影尺寸为基础廊道1m×1.5m，中层廊道1m×1.25m。中层廊道设计孔底与预留槽边沿最小距离为45cm，基础廊道设计孔底与预留槽边沿最小距离为50cm，由于廊道内为清水混凝土处理尤其是底部廊道预留槽四周有倒角处理，该部位孔底外观质量需要保证(降低钻穿时撕裂破坏程度)，因此对排水孔钻孔精度要求高。

2 排水孔施工措施

为了控制排水孔竖直度，使排水孔在道预留槽内穿出，施工方在排水孔施工中采用如下措施：

(1)严格控制测量放样的准确度[1-2]。钻机就位前、钻机就位后开钻前均必须使用倾角方位现场刻度器并结合全站仪对孔位、方位角进行精确校核，未进行校核不得进行钻孔施工；钻具安装时要保证钻具轴线与设计孔轴线重合，钻头中心与孔位点重合。

(2)为确保排水孔钻孔满足孔斜要求，必须对钻机进行固定，钻机四角用膨胀螺丝进行地锚固定；钻进过程中经常检查钻机紧固件的紧固程度，如发现松弛，随时进行再次紧固。

(3)钻孔过程中，若遇到钢筋混凝土段，则立即停止钻进，起钻更换金刚石钻头进行钻孔，待钻进穿过钢筋层后，再更换常规钻头。

(4)采用“钻机限位+孔口限位装置+硬质合金扶正块+螺旋钻杆”的防斜钻具。 在动力头移动最前端及孔口位置安装限位装置， 确保开孔钻进及进行浅孔段钻进时钻具的导向限位，防止出现偏差。 在冲击器后的前10根钻杆安装硬质合金扶正块， 每根钻杆焊接4组， 每组4块沿钻杆轴心均匀分布， 硬质合金扶正块每块长20cm， 均匀布满大颗粒球型硬质合金； 扶正块安装完成后的最大外径Φ148(钻孔直径为150mm)。 其他钻杆螺旋片焊接长度为100cm。 该防斜钻具设计大大增加了钻具前部同径长度， 相当于加长了前部钻具总长度， 增加了总体钻具的刚度， 减小了钻具的弯曲扰度， 更好的控制钻具总体偏斜； 安装扶正块后减小了冲击破碎岩粉、 渣的返出速度； 采用螺旋钻杆在很大程度上可以提高钻孔过程中的排渣能力并起到了对钻杆限位作用。

(5)合理的钻进工艺参数及操作工艺是控制孔斜的基础，通过对MX120A型液压锚固钻机在老坝加固预应力锚索钻孔过程中统计分析总结出的参数为：钻压6～10kN，钻具转速30r/min，风压0.9～1.1MPa, 风量20m3/min，Φ89mm钻杆导正、返渣综合性高。

(6)钻进过程中前20m按照每钻进2～5m控制，20m后按照每5～10m及时进行孔斜测量，实时掌握钻进轨迹并相应调整导正器的参数，第一次初检在孔深20m左右，以后每钻进5m左右自检一次，根据钻进孔斜不同情况，实时地调整导正器的参数。

(7)排水孔按设计孔深预留0.5m,进行排水孔孔底位置检测，如孔底位置在廊道预留槽内，则换XY-2地质钻机继续钻进，穿过钢筋网后，在预留槽内穿出终孔；如孔底位置偏出廊道预留槽范围，则根据孔底位置，在廊道内用开孔器从预留槽曲面向上方钻孔，与排水孔相接通。

3 排水孔底位置检测

尽管排水孔施工中采取各种控制孔斜措施，但还是不能确保每个排水孔在预留槽内贯穿，液压锚固钻机在钻进到距离设计孔深0.5m后，检测孔底位置，换地质钻机(或开孔器)终孔。

为了检测排水孔孔底位置，进行4种方法的仪器调研及现场测试(施工方已进行钻孔测斜，精度不满足控制要求)。

3.1 地质雷达

用1GHz天线在廊道预留槽面向上方连续扫描检测孔底位置，电磁波受预留槽内30cm混凝土中200×200mm的Φ25mm钢筋网干扰严重，无法分辨排水孔孔底位置。

图1 带钢筋网的排水孔孔底段岩芯

3.2 金属探测仪

将钻机钻杆放入孔底，在廊道预留槽面向上方连续扫描检测排水孔内钻杆位置，同样受到钢筋网干扰，无法定位金属钻杆位置。

3.3 钻孔轨迹

通过测量排水孔轨迹，计算排水孔孔底位置。采用以下两种测量轨迹方式：

(1)三维数字电子罗盘。将带有三维数字电子罗盘的轨迹仪探头从排水孔孔口放到孔底，利用探头里三维数字电子罗盘，测量排水孔轨迹，计算出孔底位置。结果显示误差在排水孔深度25m时，孔底误差约50cm，且误差随深度的增大而增加，不满足测试精度要求。经分析，误差主要原因为数字罗盘在探头竖直时，方向精度降低造成。

(2)陀螺仪。将采用陀螺仪惯性制导的管道仪探头从排水孔孔口放到孔底，测量排水孔轨迹，计算孔底位置。结果显示误差在排水孔深度36m时，孔底位置误差约40cm，不满足测试精度要求。

3.4 超声波定位

将超声波发射探头放入排水孔底，反射超声波,在廊道排水孔预留槽用4个平面换能器接收超声波，根据超声波的到达时刻，计算出排水孔底超声波反射探头位置暨排水孔底位置[3-4]。经过6个测试孔的现场试验，最大误差为10cm，平均误差5.5cm，满足精度要求。

4 超声波定位法原理及测试设备

4.1 超声波定位法原理

柱状超声波换能器在排水孔底处(距廊道排水孔预留槽约0.50～1.50m)发射超声波，在廊道排水孔预留槽两侧顶角处各放置2个平面超声波换能器，在距槽顶40°处两侧边各放置1个平面超声波换能器，见图2所示。当孔底换能器发射超声波后，排水孔预留槽内4个换能器分别在不同时刻ti(i=1,2,3,4)收到超声波。4个平面换能器的位置(xi,yi,zi)(i=1,2,3,4)经测量已知，解方程组(1)可得孔底坐标(x,y,z)及混凝土波速Vp。

根据排水孔孔口坐标、孔底坐标，可计算出排水孔贯穿预留槽的位置。当贯穿位置在预留槽内时，按正常施工，由上向下打穿排水孔；当贯穿位置在预留槽外时，在廊道预留槽内由下向上钻孔，与排水孔底相连通。

图2 排水孔底位置检测原理图

(1)

4.2 测试设备

排水孔底位置测量使用仪器如下。

(1)RS-ST01C 非金属声波检测仪(武汉岩海工程技术有限公司)，见图3所示。

(2)柱状、平面超声波换能器。

图3 RS-ST01C非金属声波检测仪

检测参数如下。

采样长度：1024 采样率：1～2μs

延迟：0～400μs 增益：400～4000

带通滤波：2～30kHz 触发：内触发

5 超声波定位法检测成果

现场6个排水孔孔底位置检测显示，超声波定位法最大误差小于10cm，满足判定排水孔是否在廊道排水孔预留槽位置内地精度(预留槽宽100cm)要求，检测误差见表1所示，检测成果见图4～图6。

表1 排水孔检测统计表

6 结 论

通过现场测试，超声波定位法检测排水孔孔底位置精度满足判定排水孔是否在预留槽内地要求。与其他检测方法相比，有如下优点。

(1)超声波定位法比其他几种现场实验检测方法精度高，结果准确。

(2)超声波定位法发射探头在孔底，检测精度不受孔深、孔径、孔壁光滑程度影响。测斜仪及轨迹仪法测试时探头从孔口下放至孔底过程中均在测量，误差随孔深增大而增大，同时受孔径、孔壁光滑程度影响。

(3)抗干扰能力强。超声波定位法检测通过超声波在混凝土内传播时间来计算位置，属于弹性波，不是通过电磁方法测量，预留槽混凝土内钢筋网对检测不构成干扰。钢筋网与廊道形状相同，虽然弹性波在钢筋中速度高于混凝土，检测中弹性波与钢筋网呈大角度穿过，基本不构成速度干扰。