水平定向钻拉管在德化东固水库电站生态流量改造中的应用

聂当华

（泉州水务工程建设集团有限公司,福建 泉州 362000）

1 东固水库电站概况

德化县东固水库电站位于福建省德化县涌溪中段支流梓溪上,坝址距离德化县城关64.4 km。工程以发电为主,并兼有调洪等综合利用效益。水库正常蓄水位410.0 m,总库容0.540 亿m3,调节库容0.327 亿m3,属年调节水库。电站装机容量11 MW,保证出力2.40 MW,年发电量0.316 亿kW·h,年利用小时2633 h。水库大坝为抛物线砌石双曲拱坝,坝顶高程412.0 m,坝体最大坝高86.5 m,坝顶宽3 m,坝顶弧长227.8 m,坝体拱冠底厚13.85 m,坝顶半拱中心角为：左岸51.86°,右岸46.331°。坝顶设5 孔开敞式溢洪道,每孔净宽8 m,堰顶高程405.5 m,采用挑流鼻坎挑流消能,设计最大下泄流量1111.8 m3/s,设弧形钢闸门控制泄流。

德化县东固水库电站拦河坝未设生态流量放水口和放水设施,拦河坝下游存在减、脱水河段。根据相关要求应对东固水库电站水库大坝进行生态流量泄流改造。

2 地质情况

根据本次钻孔揭露,输水线路沿线地层情况见表1。

表1 德化东固水库电站生态流量改造输水线路沿线地层参数特性表

3 输水线路及方案选择

根据东固水库周边地形地质情况,本次设计新建输水线路采用3 个线路方案进行比选。

3.1 方案一,水平定向钻进拉管法

大坝库区右侧山体新建输水涵洞,拉管进口距离大坝肩约98 m,拉管出口明挖铺设管道及新建混凝土明渠引水至下游河道,总输水线路长385.4 m。水平定向钻进,穿越长度约229.3 m,采用热熔焊接的PE100 级SDR21 系列De400 PE给水管（壁厚23.7 mm,工作压力1.0 MPa）,扩孔最终直径采用管道外径的1.2～1.5 倍,取600 mm。PE管拉后进行回填灌浆及接触灌浆。

3.2 方案二,非爆破开挖法

输水线路与方案一致,进口位于大坝库区右侧山体,距离大坝右坝肩98 m,隧洞型式为城门洞型,衬后断面尺寸为1.8 m×2.0 m（宽×高）,隧洞长229.3 m,隧洞出口明挖铺设De400 PE管长10.6 m及新建混凝土渠道145.5 m,引水至下游现状河道,总输水线路长385.4 m。

隧洞开挖采用“水磨钻+静力爆破膨胀剂劈岩”非爆破开挖技术：按设计断面轮廓线造槽控制开挖净空,采用“掏心法”制造临空面,自内而外膨胀劈岩,逐层扩孔开挖。具体步骤如下：

①“掏心”。在隧洞中心布设两环,采用水磨钻自内而外钻芯,形成临空面。

②扩孔。临空面形成后,环向设置两层劈岩孔,孔距350mm。

③按设计隧洞轮廓线,设置外层劈岩孔,孔距250 mm。

④采用SCA-I加热膨胀型静力膨胀剂,单孔加药量为孔深的70%,岩体劈裂后,再使用液压破碎机修整出设计边线,撬除破碎岩石。

⑤开挖完成后按照设计要求进行支护及衬砌。

根据输水隧洞不同段的岩石强度及完整性情况,隧洞分为衬砌段及不衬砌段,衬砌段根据岩层等级,采用锚喷C20混凝土厚0.12 m、C20 钢筋混凝土厚0.3 m两种型式,其中进出洞口岩石较风化,采用超前支护的施工措施,隧洞进出洞口需进行喷锚支护。

3.3 方案三：钻爆法开挖

采用钻爆法在大坝库区右岸山体新建输水隧洞,由于输水线路离东固大坝右坝肩较近,本次输水隧洞轴线位于东固水库大坝管理范围线以外,且根据《爆破安全规程》（GB 6722-2003）计算输水隧洞轴线距离大坝安全距离,具体公式如下：

式中：R为爆破震动安全允许距离,m；Q为炸药量,齐发爆破为总药量,延时爆破为最大一段药量,本次考虑采用控制爆破,取20 kg；V为保护对象所在地质点振动安全允许速度,由于东固水库大坝为薄双曲拱坝,常年挡水,重要性较大,出于安全考虑取0.1 cm/s；K、a为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数,东固水库大坝坝肩岩石完整,属坚硬岩石,本次K取值为50,a取值1.3。

根据上述公式计算得爆破安全距离为322.92 m,因此本方案输水隧洞轴线距离大坝右坝肩最小安全距离取值为323 m。

东固水库电站生态流量改造输水线路及方案见图1,输水隧洞长570.5 m,隧洞出口新建混凝土明渠长207.4 m引水至下游河道,总输水线路长777.10.6 m。隧洞型式为城门洞型,衬后断面尺寸为1.8 m×2.0 m（宽×高）,根据输水隧洞不同段的岩石强度及完整性情况,隧洞分为衬砌段及不衬砌段,衬砌段根据岩层等级,采用锚喷C20 混凝土厚0.12 m、C20 钢筋混凝土厚0.3 m两种型式,其中进出洞口岩石较风化,采用超前支护的施工措施,隧洞进出洞口需进行喷锚支护。

图1 东固水库电站生态流量改造输水线路及方案比较布置示意图

涉及到火工材料的安全使用及管理,管理费用高、安全措施费用较高。

综上所述,各方案投资见表2,方案一采用非开挖水平定向钻进库区右岸山体拉管工艺具有对地表的干扰较小、施工速度快、可控制铺管方向、施工精度高等优点,从投资节省、施工更安全、施工进度更快方面,为更好的解决东固水库下游脱水河道考虑,本次设计输水线路及方案采用方案一：水平定向钻进拉管法。

表2 东固水库电站生态流量改造各方案投资比较表

4 定向钻拉管设计

4.1 输水管道轨迹设计

本次新建输水管道拖拉管管材为塑料管,输水管道轨迹设计应满足规范要求的最小曲率半径（即：R=1200 D,D为钻杆外径）,本次管线为直线。

根据地勘资料,本工程管线地层为基本弱风化凝灰熔岩属较硬岩,局部为碎块状凝灰熔岩、强风化凝灰熔岩末端局部为土层,铺管最大深度81.79 m。根据类似工程经验,岩层水平定向钻进铺管应采用大型钻机（扭矩30 kN·m～100 kN·m,推/拉力450 kN～5000 kN,钻机（包括车）重20 t～30 t,钻杆长度9.0 m～12.0 m）。

岩层水平定向钻进铺管一般采用泥浆马达驱动导向钻进法。水平定向钻用的马达弯角一般在1.5%～3.0%之间,根据管线设计轨迹曲率不同选择不同的弯角。

综上所述,结合工程实际及现场地址地形,确定输水线路为直线,穿越段长229.3 m。

4.2 回拉力计算及定向钻机选择

根据穿越的长度、入土角、出土角、曲率半径、以及管材的管径、壁厚,利用经验公式计算分析管道回拉力：

式中：F拉为计算的拉力,kN；L为穿越长度,m；f为摩擦系数,0.1～0.3；D为生产管直径,m；r泥为泥浆密度,t/m3；δ1为生产管壁厚,m；K粘为粘滞系数,0.01～0.03。

经计算,定向钻回拉力为129.67 kN。定向钻机主要根据回拉力的1.5～3 倍来选择。同时,根据地勘资料,本工程管线地层基本为弱风化凝灰熔岩属较硬岩（长186.77 m）,进、出口局部为碎块状凝灰熔岩、强风化凝灰熔岩、土层（长42.53 m）,铺管最大深度81.79 m。根据类似工程经验,岩层水平定向钻进铺管应采用大型钻机（扭矩30 kN·m～100 kN·m,推/拉力450 kN～5000 kN,钻机（包括车）重20 t～30 t,钻杆长度9.0 m～12.0 m）。

故,本工程定向钻施工的钻机应选用推/拉力不小于500 kN的大型钻机。定向钻进配制的泥浆要求：泥浆粘度：40 s～50 s；泥浆pH值：8～10；泥浆膨润土采用API高效膨润土；泥浆密度：1.1 t/m3～1.2 t/m3。

4.3 回填灌浆

PE管道拉通后,利用地质钻机在轴线位置钻φ110 孔至拉管顶部,共钻孔深60.44 m,灌浆时孔内埋设φ25 钢管至管道顶高程,拉管结束后用高压注浆泵连接灌浆管注入水泥浆。灌浆顺序为先从下游孔后上游孔。

4.4 接触灌浆

涵洞回填灌浆质量检查合格后采用地质钻机钻孔埋设De32 PVCU花管进行接触灌浆,接触灌浆时间应待回填灌浆结束7 d后,浆液水灰比采用0.8、0.6 两个比级,孔口灌浆压力不宜超过0.3 MPa,在规定压力下灌浆孔停止吸浆后,延续灌注5 min结束。

5 结语

德化东固水库电站生态流量改造工程采用水平定向钻拉管在右坝肩穿弱风化凝灰熔岩、碎块状强风化熔岩,铺设De400 PE输水管道,解决电站大坝下游河道脱水问题,于2021 年6 月施工完成,运行情况良好。该方案可靠、投资低、施工扰动小、进度快,避免了采用传统钻爆法产生的震动对双曲拱坝的稳定安全造成影响,为类似电站生态流量改造提供借鉴。