水平定向鉆拉管在德化東固水庫電站生態流量改造中的應用

聶當華

（泉州水務工程建設集團有限公司,福建 泉州 362000）

1 東固水庫電站概況

德化縣東固水庫電站位于福建省德化縣涌溪中段支流梓溪上,壩址距離德化縣城關64.4 km。工程以發電為主,并兼有調洪等綜合利用效益。水庫正常蓄水位410.0 m,總庫容0.540 億m3,調節庫容0.327 億m3,屬年調節水庫。電站裝機容量11 MW,保證出力2.40 MW,年發電量0.316 億kW·h,年利用小時2633 h。水庫大壩為拋物線砌石雙曲拱壩,壩頂高程412.0 m,壩體最大壩高86.5 m,壩頂寬3 m,壩頂弧長227.8 m,壩體拱冠底厚13.85 m,壩頂半拱中心角為：左岸51.86°,右岸46.331°。壩頂設5 孔開敞式溢洪道,每孔凈寬8 m,堰頂高程405.5 m,采用挑流鼻坎挑流消能,設計最大下泄流量1111.8 m3/s,設弧形鋼閘門控制泄流。

德化縣東固水庫電站攔河壩未設生態流量放水口和放水設施,攔河壩下游存在減、脫水河段。根據相關要求應對東固水庫電站水庫大壩進行生態流量泄流改造。

2 地質情況

根據本次鉆孔揭露,輸水線路沿線地層情況見表1。

表1 德化東固水庫電站生態流量改造輸水線路沿線地層參數特性表

3 輸水線路及方案選擇

根據東固水庫周邊地形地質情況,本次設計新建輸水線路采用3 個線路方案進行比選。

3.1 方案一,水平定向鉆進拉管法

大壩庫區右側山體新建輸水涵洞,拉管進口距離大壩肩約98 m,拉管出口明挖鋪設管道及新建混凝土明渠引水至下游河道,總輸水線路長385.4 m。水平定向鉆進,穿越長度約229.3 m,采用熱熔焊接的PE100 級SDR21 系列De400 PE給水管（壁厚23.7 mm,工作壓力1.0 MPa）,擴孔最終直徑采用管道外徑的1.2～1.5 倍,取600 mm。PE管拉后進行回填灌漿及接觸灌漿。

3.2 方案二,非爆破開挖法

輸水線路與方案一致,進口位于大壩庫區右側山體,距離大壩右壩肩98 m,隧洞型式為城門洞型,襯后斷面尺寸為1.8 m×2.0 m（寬×高）,隧洞長229.3 m,隧洞出口明挖鋪設De400 PE管長10.6 m及新建混凝土渠道145.5 m,引水至下游現狀河道,總輸水線路長385.4 m。

隧洞開挖采用“水磨鉆+靜力爆破膨脹劑劈巖”非爆破開挖技術：按設計斷面輪廓線造槽控制開挖凈空,采用“掏心法”制造臨空面,自內而外膨脹劈巖,逐層擴孔開挖。具體步驟如下：

①“掏心”。在隧洞中心布設兩環,采用水磨鉆自內而外鉆芯,形成臨空面。

②擴孔。臨空面形成后,環向設置兩層劈巖孔,孔距350mm。

③按設計隧洞輪廓線,設置外層劈巖孔,孔距250 mm。

④采用SCA-I加熱膨脹型靜力膨脹劑,單孔加藥量為孔深的70%,巖體劈裂后,再使用液壓破碎機修整出設計邊線,撬除破碎巖石。

⑤開挖完成后按照設計要求進行支護及襯砌。

根據輸水隧洞不同段的巖石強度及完整性情況,隧洞分為襯砌段及不襯砌段,襯砌段根據巖層等級,采用錨噴C20混凝土厚0.12 m、C20 鋼筋混凝土厚0.3 m兩種型式,其中進出洞口巖石較風化,采用超前支護的施工措施,隧洞進出洞口需進行噴錨支護。

3.3 方案三：鉆爆法開挖

采用鉆爆法在大壩庫區右岸山體新建輸水隧洞,由于輸水線路離東固大壩右壩肩較近,本次輸水隧洞軸線位于東固水庫大壩管理范圍線以外,且根據《爆破安全規程》（GB 6722-2003）計算輸水隧洞軸線距離大壩安全距離,具體公式如下：

式中：R為爆破震動安全允許距離,m；Q為炸藥量,齊發爆破為總藥量,延時爆破為最大一段藥量,本次考慮采用控制爆破,取20 kg；V為保護對象所在地質點振動安全允許速度,由于東固水庫大壩為薄雙曲拱壩,常年擋水,重要性較大,出于安全考慮取0.1 cm/s；K、a為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數,東固水庫大壩壩肩巖石完整,屬堅硬巖石,本次K取值為50,a取值1.3。

根據上述公式計算得爆破安全距離為322.92 m,因此本方案輸水隧洞軸線距離大壩右壩肩最小安全距離取值為323 m。

東固水庫電站生態流量改造輸水線路及方案見圖1,輸水隧洞長570.5 m,隧洞出口新建混凝土明渠長207.4 m引水至下游河道,總輸水線路長777.10.6 m。隧洞型式為城門洞型,襯后斷面尺寸為1.8 m×2.0 m（寬×高）,根據輸水隧洞不同段的巖石強度及完整性情況,隧洞分為襯砌段及不襯砌段,襯砌段根據巖層等級,采用錨噴C20 混凝土厚0.12 m、C20 鋼筋混凝土厚0.3 m兩種型式,其中進出洞口巖石較風化,采用超前支護的施工措施,隧洞進出洞口需進行噴錨支護。

圖1 東固水庫電站生態流量改造輸水線路及方案比較布置示意圖

涉及到火工材料的安全使用及管理,管理費用高、安全措施費用較高。

綜上所述,各方案投資見表2,方案一采用非開挖水平定向鉆進庫區右岸山體拉管工藝具有對地表的干擾較小、施工速度快、可控制鋪管方向、施工精度高等優點,從投資節省、施工更安全、施工進度更快方面,為更好的解決東固水庫下游脫水河道考慮,本次設計輸水線路及方案采用方案一：水平定向鉆進拉管法。

表2 東固水庫電站生態流量改造各方案投資比較表

4 定向鉆拉管設計

4.1 輸水管道軌跡設計

本次新建輸水管道拖拉管管材為塑料管,輸水管道軌跡設計應滿足規范要求的最小曲率半徑（即：R=1200 D,D為鉆桿外徑）,本次管線為直線。

根據地勘資料,本工程管線地層為基本弱風化凝灰熔巖屬較硬巖,局部為碎塊狀凝灰熔巖、強風化凝灰熔巖末端局部為土層,鋪管最大深度81.79 m。根據類似工程經驗,巖層水平定向鉆進鋪管應采用大型鉆機（扭矩30 kN·m～100 kN·m,推/拉力450 kN～5000 kN,鉆機（包括車）重20 t～30 t,鉆桿長度9.0 m～12.0 m）。

巖層水平定向鉆進鋪管一般采用泥漿馬達驅動導向鉆進法。水平定向鉆用的馬達彎角一般在1.5%～3.0%之間,根據管線設計軌跡曲率不同選擇不同的彎角。

綜上所述,結合工程實際及現場地址地形,確定輸水線路為直線,穿越段長229.3 m。

4.2 回拉力計算及定向鉆機選擇

根據穿越的長度、入土角、出土角、曲率半徑、以及管材的管徑、壁厚,利用經驗公式計算分析管道回拉力：

式中：F拉為計算的拉力,kN；L為穿越長度,m；f為摩擦系數,0.1～0.3；D為生產管直徑,m；r泥為泥漿密度,t/m3；δ1為生產管壁厚,m；K粘為粘滯系數,0.01～0.03。

經計算,定向鉆回拉力為129.67 kN。定向鉆機主要根據回拉力的1.5～3 倍來選擇。同時,根據地勘資料,本工程管線地層基本為弱風化凝灰熔巖屬較硬巖（長186.77 m）,進、出口局部為碎塊狀凝灰熔巖、強風化凝灰熔巖、土層（長42.53 m）,鋪管最大深度81.79 m。根據類似工程經驗,巖層水平定向鉆進鋪管應采用大型鉆機（扭矩30 kN·m～100 kN·m,推/拉力450 kN～5000 kN,鉆機（包括車）重20 t～30 t,鉆桿長度9.0 m～12.0 m）。

故,本工程定向鉆施工的鉆機應選用推/拉力不小于500 kN的大型鉆機。定向鉆進配制的泥漿要求：泥漿粘度：40 s～50 s；泥漿pH值：8～10；泥漿膨潤土采用API高效膨潤土；泥漿密度：1.1 t/m3～1.2 t/m3。

4.3 回填灌漿

PE管道拉通后,利用地質鉆機在軸線位置鉆φ110 孔至拉管頂部,共鉆孔深60.44 m,灌漿時孔內埋設φ25 鋼管至管道頂高程,拉管結束后用高壓注漿泵連接灌漿管注入水泥漿。灌漿順序為先從下游孔后上游孔。

4.4 接觸灌漿

涵洞回填灌漿質量檢查合格后采用地質鉆機鉆孔埋設De32 PVCU花管進行接觸灌漿,接觸灌漿時間應待回填灌漿結束7 d后,漿液水灰比采用0.8、0.6 兩個比級,孔口灌漿壓力不宜超過0.3 MPa,在規定壓力下灌漿孔停止吸漿后,延續灌注5 min結束。

5 結語

德化東固水庫電站生態流量改造工程采用水平定向鉆拉管在右壩肩穿弱風化凝灰熔巖、碎塊狀強風化熔巖,鋪設De400 PE輸水管道,解決電站大壩下游河道脫水問題,于2021 年6 月施工完成,運行情況良好。該方案可靠、投資低、施工擾動小、進度快,避免了采用傳統鉆爆法產生的震動對雙曲拱壩的穩定安全造成影響,為類似電站生態流量改造提供借鑒。