豐滿(mǎn)大壩壩體排水孔孔底定位檢測(cè)方法研究

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(1.松花江水力發(fā)電有限公司豐滿(mǎn)大壩重建工程建設(shè)局，吉林 吉林 132108；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430011)

1 概述

豐滿(mǎn)水電站位于吉林省吉林市境內(nèi)的松花江上，1937年日本侵占東北時(shí)期開(kāi)工興建，是當(dāng)時(shí)亞洲規(guī)模最大的水電站，1942年大壩蓄水，1943年5月29日首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。大壩使用70年后，2012年10月18日，國(guó)家發(fā)展改革委在官方網(wǎng)站上公告核準(zhǔn)了吉林豐滿(mǎn)水電站全面治理(重建)工程。重建工程為碾壓混凝土重力壩，最大壩高94.50m，壩頂長(zhǎng)1068.00m，壩頂高程269.50m。水庫(kù)正常蓄水位263.50m，總庫(kù)容103.77億m3。新建電站安裝6臺(tái)單機(jī)容量為200MW的水輪發(fā)電機(jī)組，利用三期2臺(tái)單機(jī)容量140MW的機(jī)組，總裝機(jī)容量1480MW。

排水孔為排除壩體內(nèi)部滲水所設(shè)置的豎向管道，主要作用是降低壩體浸潤(rùn)線(xiàn)位置，減小滲透壓力。除了薄拱壩外，重力壩和其他拱壩一般都設(shè)置壩身排水管。

壩頂排水為位于大壩上游側(cè)貫穿壩內(nèi)各層廊道、上至壩頂或溢流堰頂附近的鉛直排水孔幕，排水孔采用鉆孔，單排間距3m。左、右擋水壩段排水孔頂高程為269.25m，溢流壩段孔頂高程為246m，廠(chǎng)房壩段孔頂高程為269.25m，排水孔單排布置間距3.0m(廠(chǎng)房壩段有管段2.5m)，直徑150mm。排水孔孔底出口與廊道上游側(cè)拱頂相通，并通過(guò)PVC鋼絲增強(qiáng)軟管將滲水引入廊道底部排水溝，集中排出。壩體排水孔設(shè)計(jì)592個(gè)孔，鉆孔17860.3m。

廊道排水孔預(yù)留槽投影尺寸為基礎(chǔ)廊道1m×1.5m，中層廊道1m×1.25m。中層廊道設(shè)計(jì)孔底與預(yù)留槽邊沿最小距離為45cm，基礎(chǔ)廊道設(shè)計(jì)孔底與預(yù)留槽邊沿最小距離為50cm，由于廊道內(nèi)為清水混凝土處理尤其是底部廊道預(yù)留槽四周有倒角處理，該部位孔底外觀(guān)質(zhì)量需要保證(降低鉆穿時(shí)撕裂破壞程度)，因此對(duì)排水孔鉆孔精度要求高。

2 排水孔施工措施

為了控制排水孔豎直度，使排水孔在道預(yù)留槽內(nèi)穿出，施工方在排水孔施工中采用如下措施：

(1)嚴(yán)格控制測(cè)量放樣的準(zhǔn)確度[1-2]。鉆機(jī)就位前、鉆機(jī)就位后開(kāi)鉆前均必須使用傾角方位現(xiàn)場(chǎng)刻度器并結(jié)合全站儀對(duì)孔位、方位角進(jìn)行精確校核，未進(jìn)行校核不得進(jìn)行鉆孔施工；鉆具安裝時(shí)要保證鉆具軸線(xiàn)與設(shè)計(jì)孔軸線(xiàn)重合，鉆頭中心與孔位點(diǎn)重合。

(2)為確保排水孔鉆孔滿(mǎn)足孔斜要求，必須對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行固定，鉆機(jī)四角用膨脹螺絲進(jìn)行地錨固定；鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常檢查鉆機(jī)緊固件的緊固程度，如發(fā)現(xiàn)松弛，隨時(shí)進(jìn)行再次緊固。

(3)鉆孔過(guò)程中，若遇到鋼筋混凝土段，則立即停止鉆進(jìn)，起鉆更換金剛石鉆頭進(jìn)行鉆孔，待鉆進(jìn)穿過(guò)鋼筋層后，再更換常規(guī)鉆頭。

(4)采用“鉆機(jī)限位+孔口限位裝置+硬質(zhì)合金扶正塊+螺旋鉆桿”的防斜鉆具。 在動(dòng)力頭移動(dòng)最前端及孔口位置安裝限位裝置， 確保開(kāi)孔鉆進(jìn)及進(jìn)行淺孔段鉆進(jìn)時(shí)鉆具的導(dǎo)向限位，防止出現(xiàn)偏差。 在沖擊器后的前10根鉆桿安裝硬質(zhì)合金扶正塊， 每根鉆桿焊接4組， 每組4塊沿鉆桿軸心均勻分布， 硬質(zhì)合金扶正塊每塊長(zhǎng)20cm， 均勻布滿(mǎn)大顆粒球型硬質(zhì)合金； 扶正塊安裝完成后的最大外徑Φ148(鉆孔直徑為150mm)。 其他鉆桿螺旋片焊接長(zhǎng)度為100cm。 該防斜鉆具設(shè)計(jì)大大增加了鉆具前部同徑長(zhǎng)度， 相當(dāng)于加長(zhǎng)了前部鉆具總長(zhǎng)度， 增加了總體鉆具的剛度， 減小了鉆具的彎曲擾度， 更好的控制鉆具總體偏斜； 安裝扶正塊后減小了沖擊破碎巖粉、 渣的返出速度； 采用螺旋鉆桿在很大程度上可以提高鉆孔過(guò)程中的排渣能力并起到了對(duì)鉆桿限位作用。

(5)合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)及操作工藝是控制孔斜的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)MX120A型液壓錨固鉆機(jī)在老壩加固預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔過(guò)程中統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)出的參數(shù)為：鉆壓6～10kN，鉆具轉(zhuǎn)速30r/min，風(fēng)壓0.9～1.1MPa, 風(fēng)量20m3/min，Φ89mm鉆桿導(dǎo)正、返渣綜合性高。

(6)鉆進(jìn)過(guò)程中前20m按照每鉆進(jìn)2～5m控制，20m后按照每5～10m及時(shí)進(jìn)行孔斜測(cè)量，實(shí)時(shí)掌握鉆進(jìn)軌跡并相應(yīng)調(diào)整導(dǎo)正器的參數(shù)，第一次初檢在孔深20m左右，以后每鉆進(jìn)5m左右自檢一次，根據(jù)鉆進(jìn)孔斜不同情況，實(shí)時(shí)地調(diào)整導(dǎo)正器的參數(shù)。

(7)排水孔按設(shè)計(jì)孔深預(yù)留0.5m,進(jìn)行排水孔孔底位置檢測(cè)，如孔底位置在廊道預(yù)留槽內(nèi)，則換XY-2地質(zhì)鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)，穿過(guò)鋼筋網(wǎng)后，在預(yù)留槽內(nèi)穿出終孔；如孔底位置偏出廊道預(yù)留槽范圍，則根據(jù)孔底位置，在廊道內(nèi)用開(kāi)孔器從預(yù)留槽曲面向上方鉆孔，與排水孔相接通。

3 排水孔底位置檢測(cè)

盡管排水孔施工中采取各種控制孔斜措施，但還是不能確保每個(gè)排水孔在預(yù)留槽內(nèi)貫穿，液壓錨固鉆機(jī)在鉆進(jìn)到距離設(shè)計(jì)孔深0.5m后，檢測(cè)孔底位置，換地質(zhì)鉆機(jī)(或開(kāi)孔器)終孔。

為了檢測(cè)排水孔孔底位置，進(jìn)行4種方法的儀器調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(施工方已進(jìn)行鉆孔測(cè)斜，精度不滿(mǎn)足控制要求)。

3.1 地質(zhì)雷達(dá)

用1GHz天線(xiàn)在廊道預(yù)留槽面向上方連續(xù)掃描檢測(cè)孔底位置，電磁波受預(yù)留槽內(nèi)30cm混凝土中200×200mm的Φ25mm鋼筋網(wǎng)干擾嚴(yán)重，無(wú)法分辨排水孔孔底位置。

圖1 帶鋼筋網(wǎng)的排水孔孔底段巖芯

3.2 金屬探測(cè)儀

將鉆機(jī)鉆桿放入孔底，在廊道預(yù)留槽面向上方連續(xù)掃描檢測(cè)排水孔內(nèi)鉆桿位置，同樣受到鋼筋網(wǎng)干擾，無(wú)法定位金屬鉆桿位置。

3.3 鉆孔軌跡

通過(guò)測(cè)量排水孔軌跡，計(jì)算排水孔孔底位置。采用以下兩種測(cè)量軌跡方式：

(1)三維數(shù)字電子羅盤(pán)。將帶有三維數(shù)字電子羅盤(pán)的軌跡儀探頭從排水孔孔口放到孔底，利用探頭里三維數(shù)字電子羅盤(pán)，測(cè)量排水孔軌跡，計(jì)算出孔底位置。結(jié)果顯示誤差在排水孔深度25m時(shí)，孔底誤差約50cm，且誤差隨深度的增大而增加，不滿(mǎn)足測(cè)試精度要求。經(jīng)分析，誤差主要原因?yàn)閿?shù)字羅盤(pán)在探頭豎直時(shí)，方向精度降低造成。

(2)陀螺儀。將采用陀螺儀慣性制導(dǎo)的管道儀探頭從排水孔孔口放到孔底，測(cè)量排水孔軌跡，計(jì)算孔底位置。結(jié)果顯示誤差在排水孔深度36m時(shí)，孔底位置誤差約40cm，不滿(mǎn)足測(cè)試精度要求。

3.4 超聲波定位

將超聲波發(fā)射探頭放入排水孔底，反射超聲波,在廊道排水孔預(yù)留槽用4個(gè)平面換能器接收超聲波，根據(jù)超聲波的到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算出排水孔底超聲波反射探頭位置暨排水孔底位置[3-4]。經(jīng)過(guò)6個(gè)測(cè)試孔的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最大誤差為10cm，平均誤差5.5cm，滿(mǎn)足精度要求。

4 超聲波定位法原理及測(cè)試設(shè)備

4.1 超聲波定位法原理

柱狀超聲波換能器在排水孔底處(距廊道排水孔預(yù)留槽約0.50～1.50m)發(fā)射超聲波，在廊道排水孔預(yù)留槽兩側(cè)頂角處各放置2個(gè)平面超聲波換能器，在距槽頂40°處兩側(cè)邊各放置1個(gè)平面超聲波換能器，見(jiàn)圖2所示。當(dāng)孔底換能器發(fā)射超聲波后，排水孔預(yù)留槽內(nèi)4個(gè)換能器分別在不同時(shí)刻ti(i=1,2,3,4)收到超聲波。4個(gè)平面換能器的位置(xi,yi,zi)(i=1,2,3,4)經(jīng)測(cè)量已知，解方程組(1)可得孔底坐標(biāo)(x,y,z)及混凝土波速Vp。

根據(jù)排水孔孔口坐標(biāo)、孔底坐標(biāo)，可計(jì)算出排水孔貫穿預(yù)留槽的位置。當(dāng)貫穿位置在預(yù)留槽內(nèi)時(shí)，按正常施工，由上向下打穿排水孔；當(dāng)貫穿位置在預(yù)留槽外時(shí)，在廊道預(yù)留槽內(nèi)由下向上鉆孔，與排水孔底相連通。

圖2 排水孔底位置檢測(cè)原理圖

(1)

4.2 測(cè)試設(shè)備

排水孔底位置測(cè)量使用儀器如下。

(1)RS-ST01C 非金屬聲波檢測(cè)儀(武漢巖海工程技術(shù)有限公司)，見(jiàn)圖3所示。

(2)柱狀、平面超聲波換能器。

圖3 RS-ST01C非金屬聲波檢測(cè)儀

檢測(cè)參數(shù)如下。

采樣長(zhǎng)度：1024 采樣率：1～2μs

延遲：0～400μs 增益：400～4000

帶通濾波：2～30kHz 觸發(fā)：內(nèi)觸發(fā)

5 超聲波定位法檢測(cè)成果

現(xiàn)場(chǎng)6個(gè)排水孔孔底位置檢測(cè)顯示，超聲波定位法最大誤差小于10cm，滿(mǎn)足判定排水孔是否在廊道排水孔預(yù)留槽位置內(nèi)地精度(預(yù)留槽寬100cm)要求，檢測(cè)誤差見(jiàn)表1所示，檢測(cè)成果見(jiàn)圖4～圖6。

表1 排水孔檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，超聲波定位法檢測(cè)排水孔孔底位置精度滿(mǎn)足判定排水孔是否在預(yù)留槽內(nèi)地要求。與其他檢測(cè)方法相比，有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)超聲波定位法比其他幾種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。

(2)超聲波定位法發(fā)射探頭在孔底，檢測(cè)精度不受孔深、孔徑、孔壁光滑程度影響。測(cè)斜儀及軌跡儀法測(cè)試時(shí)探頭從孔口下放至孔底過(guò)程中均在測(cè)量，誤差隨孔深增大而增大，同時(shí)受孔徑、孔壁光滑程度影響。

(3)抗干擾能力強(qiáng)。超聲波定位法檢測(cè)通過(guò)超聲波在混凝土內(nèi)傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算位置，屬于彈性波，不是通過(guò)電磁方法測(cè)量，預(yù)留槽混凝土內(nèi)鋼筋網(wǎng)對(duì)檢測(cè)不構(gòu)成干擾。鋼筋網(wǎng)與廊道形狀相同，雖然彈性波在鋼筋中速度高于混凝土，檢測(cè)中彈性波與鋼筋網(wǎng)呈大角度穿過(guò)，基本不構(gòu)成速度干擾。