水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术的制作方法

专利名称：：水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术的制作方法
技术领域：
：本发明属于水利水电工程
技术领域：
，具体涉及高压水头下水工洞室内出现的大流量高速射流进行有效封堵灌浆的施工技术。
背景技术：
：水利水电工程施工过程中，在各工程关键线路中的洞室开挖爆破施工过程中，会出现地下水位快速涌高、水头压力抬升过快等工程工况，经常突发渗水、涌水情况，同时伴生有塌方、塌陷、大面积渗水、大流量高速射流等工况，处理难度极大，属于高危险作业，对施工中关键线路施工进度和施工人员设备安全造成极大影响，对其进行处理的时间将直接影响到关键线路节点工期及后续工程节点工期的实现。同时，对其处理的施工质量将直接影响主要建筑物的运行安全，其处理效果也将直接影响到后续工程的时间安排以及因采取各种措施进行处理的直接经济费用。在以前发生的突发性出水工况，大多数均为水头压力较小、渗水点面不集屮、流量不大、流速较小，常规处理措施比较成熟，可用处理办法较多，一般采用引排堵结合的原则进行处理，即对水流进行一定程度的引排后，强浇混凝土，以混凝土为盖重，待达到一定强度后再对其进行灌浆处理。但对于高压水头、大流量、高速射流工况，由于其成因复杂，同时伴生各种复杂况，可能涉及多部位、多工种、多成因，处理方法极为复杂但又相对有限，目前为止，国际国内尚无极为有效的处理手段。一旦发生此类工况，若处理措施不当，必将导致整个工程进度严重滞后，处理工期延长，处理费用增大，会造成极大直接或间接经济损失。光照水电站是北盘江干流的龙头梯级电站。电站装机容量1040MW(4X260丽)，水库正常蓄水位EL.745m，死水位EL.691m，总库容32.45亿m3，死库容10.98亿m3，光照水电站导流洞过流断面为11.5mX16m(宽X高)的城门洞型，洞长804.863m，进、出口高程分别为EL.583m及EL.581.5ra。导流洞永久堵头位于桩号k0+270k0+300段，长30m,采用双楔形结构，堵头按I级建筑物设计。电站下闸蓄水后，当大坝上游库区水位上升至EL.650.2m时，导流洞永久堵头拱顶突发缝隙大流量高速射流透水，射流高程约EL.599m，射流水平挑距24m,计算流速22m/s，泄水量约1.08mVs，水流呈雾化状，出水缝面长度约6m。透水同时，在导流洞上部右岸EL.612m灌浆隧洞底板有明显冒气现象。大部分专家提出了将库水放掉将水位降低后进行封堵处理的方案，从安全上考虑，该方案是最可靠的处理方案，但由此将造成的直接经济损失会超过2亿元，间接损失也非常巨大。为了减少这些损失，则必须在130tn高水头条件下迸行封堵，这是一道世界水电工程施工中未曾遇到的难题。在此之前已经对透水常规处理中，主要采取模袋灌浆为主、临时平压堵头为辅的处理方案。常规前期处理措施中，共计耗去前期常规处理费用150万元。完成钻孔27个，基岩钻孔1651.8m，投入各种规格模袋18个，灌入浆量63.452m3，抛投封堵级配料24.5m3，抛投封堵卵石9.02m:'，抛投麻棒486段，抛投封堵橡胶球4949个(4)40咖4>70mm)，漏水缝面挡水板封堵2块。前期处理措施即是采用常规处理方法，结果说明，用常规方法无法完成对这种130m高水头下导流洞永久堵头的高速射流透水事故的处理，常规方法仅能在一定时间内控制漏水，渗水不迅速扩展。最终未能从根本上止漏，水流流量变化不大，仅水流流向及流速发生一定改变。为此，申请人研发了"130m高水头下大流量高速射流封堵"施工技术方案，在右岸EL.612m灌浆廊道钻孔至导流洞顶部空腔进行封堵灌浆取得了成功。
发明内容本发明的目的，通过对以往的多次处理突发涌水、渗水工况处理失败和成功的原因进行分析，依托光照水电站130m高水头下导流洞永久堵头的高速射流透水处理过程展开技术攻关，提出安全可行的封堵技术方案，指导施工，达到永久堵水的目的，在这此成功工作的基础上，总结技术方案，形成了对130m高压水头以下，一套完整、安全封堵技术方案。本发明水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，其技术方案是这样的，首先，确定透水位置，对各种水电站容易产生透水位置，透水点压头大小进行划分，依次为大坝基础未处理好的溶洞、断层透水，导流洞周围渗水透水、导流洞堵头透水，灌浆隧洞部分渗水透水，上部灌浆隧洞以上坝及周围岩层的疏松结构渗水透水，对于在上述四种不同的透水位置的封堵，采用不同的封堵灌浆技术；①透水产生为大坝基础未处理好的溶洞、断层透水，透水点一般在坝前期，一般开始蓄水就会出现；采用《围堰高效快速防渗堵漏技术》(申请号2007100777532)方法为采用的封堵灌浆技术为钻孔、安装灌浆射浆管路、灌浆的步骤，其中，钻孔全孔采用风动潜孔钻偏心跟管钻进，钻孔结束后，安装好灌浆射浆管路，再用拔管机将孔内套管拔出，然后通过灌浆射浆管路的灌浆尾管向孔内加压灌浆，将全部的钻孔加压灌浆完毕，就完成了围堰的高效快速防渗堵漏过程；在透水处附近区域进行灌浆封堵处理，根据水库蓄水高度，或透水处的水压大小来调节防渗堵漏技术中灌浆的压力，在透水、渗水部分压头高于50m130m时，要求同时采用本发明《高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术》中的"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置"及"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"两种装置进行灌浆封堵；②透水、渗水位置为导流洞周围渗水透水、永久堵头透水水头压头高至50ra130m时，本发明选择与透水导流洞位置与原施工最近的同在大坝一侧的灌浆隧洞内与导流洞交叉部位进行堵漏工作，从同侧的灌浆隧洞确定位置钻孔至导流洞永久堵头顶部空腔，安装灌浆管路，实施《高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术》中的"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置"及"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"进行灌浆封堵工艺施工；③灌浆隧洞、上部灌浆隧洞以上坝及周围岩层的疏松结构渗水透水，采用《围堰高效快速防渗堵漏技术》(申请号2007100777532)堵漏方法在透水处进行封堵灌浆完成透水的封堵；上述水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，对于②确定为导流洞周围渗水透水、永久堵头透水，施工时人员和设备面临130m左右高水头压力风险，采用的导流洞周围渗水透水、永久堵头透水堵漏施工技术方案①首先将导流洞永久堵头上部透水通道内水流由动水改变为相对静止工况；在永久堵头下游导流洞内设置现浇混凝土平压堵头进行平压，促使永久堵头透水通道处于相对静止状态，平压堵头内设置钢闸门，以便作为后期灌浆效果检查以及进入永久堵头预留廊道进行回填固结灌浆的进场通道；②承受130m高水头压力下，为保证在灌浆廊道钻孔至导流洞顶部空腔处的钻孔安全、防孔内高压力返水，采用集钻杆内止水、排水泄压、孔口封闭、钻灌施工安全等多功能于一体的"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置"及"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"，解决了孔内高水头涌水工况下安全钻孔灌浆的施工；(D由于存在局部渗流，致使透水通道内还存在一定动水工况，配制专门针对动水工况下，还能保持良好凝结性能及强度的"水下不分散自流密实砂浆"和"水下不分散纯水泥浆"作为主要灌浆材料；然后，进行施工准备一钻孔至基岩3m镶铸4)75孔口管11—安全性试压水—钻进至第一层脱空17—灌注水下不分散自流密实砂浆一钻进至第二层脱空19—灌注水下不分散自流密实砂浆一钻进至堵头混凝土21内0.5m—灌注水下不分散纯水泥浆一灌浆封孔。上述水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，封堵灌浆施工工艺使用的"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置"，它是由^42钻杆l，孔口封闭器压盖2，孔口封闭器胶球3，4)89孔口封闭器4，Dg75不锈钢球阀5，cj)50排水支管6，Dg50不锈钢球阀7，压力表8，Dg50不锈钢球阀9，4>50排水支管IO兼进浆管，cl)75L-3.6m孔口管11，S=10mm边长0.2m加固钢板12，d>25mm，L=1.5m注浆锚杆13，开孔4>91mm钻孔入岩14、钻杆内防高压返水安全控制装置15,小47钻孔16，永久堵头上层脱空17，导流洞衬砌砼18，永久堵头下层脱空19，前期处理投放堆积层20，导流洞封堵砼21所组成'，开孔钻孔14的孔径为4)91mm，深入基岩3m，镶铸一根长3.6m4>75的孔口钢管ll，孔口S-10mm，边长0.2m管用钢板12焊接加固，钢板12四周用四根①25mm，L-1.5m注浆锚杆13镶注在地板上，确保孔口管稳固、牢靠、不移动；孔口管11以上接两根4>50的排水支管6和排水支管10，排水支管6上接两个Dg50不锈钢球阀7，排水支管10兼作灌浆进浆管，其上接压力表8和两个Dg50不锈钢球阀9，孔口钢管上部安装一个Dg75不锈钢球阀5，以上再接小89孔口封闭器4;钻孔时，cj>42钻杆1穿过孔口封闭器4及不锈钢球阀5而进入孔内，上紧孔口封闭器压盖2，使孔口封闭器胶球3膨胀达到止水的目的，钻杆1下端内安装防高压返水安全控制装置15，确保钻穿空腔时，孔内高压返水不从钻杆1的顶部射出，保证了起下钻拆卸钻杆时的安全；同时，排水支管6与排水支管10不锈钢上接的不锈钢球阀7和9均处于打开状态，一旦钻穿空腔，高压水则通过排水支管排出，排水支管上接ct)50排水管将水引至615廊道施工支洞排放；起钻采用2PC型地质钻机，从其卡盘以上拆卸钻杆，钻杆一旦起出至4)75不锈钢球阀5以上时，立即关闭不锈钢球阀5，同时也可关闭排水支管6上的不锈钢球阀7和排水支管10上的不锈钢球阀9，通过压力表8测孔内返水压力；灌衆时，把排水支管10作为进浆管，接通至灌浆泵，打开不锈钢球阀9，即可进行灌注，通过压力表8监测灌浆压力，灌浆结束关闭不锈钢球阀9进行屏浆待凝。上述水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，封堵灌浆施工工艺及"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"，由上部钻杆接头22，钻杆接头4>12中空孔23，钻杆接头高强螺纹丝扣24，防高压返水安全控制装置25，小15钢球26，<H3X(MX10弹簧27，弹簧座28，弹簧座4>12中空孔29，4>28控制装置中空孔30，下部钻杆接头31组成；上部钻杆接头22通过高强螺纹丝扣24与防高压返水安全控制装置25连接，钻孔时，从上部钻杆接头22的中空孔23向下供给钻孔冷却水及钻孔冲洗液，在压力水作用下，弹簧27收縮，冷却水自上而下穿过弹簧座28的中空孔29进入下部钻杆接头31，向下进入钻孔内；当钻穿空腔遇高压返水时，弹簧27伸直，返水将钢球26托起，封住上部钻杆接头22的中空孔23，从而达到反向止水的目的。上述水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，对于封堵灌衆技术参数①封堵灌浆按照排间分序、排内加密、同时兼顾由低到高的原则进行施工；②封堵灌浆有两个目的，一是有效堵水，二是对前期处理施工中的抛投料及被透水破坏的围岩及混凝土进行加固。针对这两种情况，封堵灌浆主要采用"水下不分散自流密实砂浆"和"水下不分散纯水泥浆"两种灌浆材料；③灌注大体积脱空时，采用"孔口封闭纯压式"灌浆工艺，灌浆材料选用"水下不分散自流密实砂浆"，灌浆压力为大于孔内涌水压力0.1MPa0.3MPa，结束标准为达到设计压力情况下，注入率小于10L/min时，持续灌注10min即结束；④灌注细小裂缝或透水通道时，采用"孔口封闭、孔内循环"灌浆工艺，灌浆材料选用"水下不分散纯水泥浆"，灌浆压力为3MPa5MPa，结束标准为达到设计压力情况下，注入率小于1L/min时，持续灌注60min即结束；灌浆材料备料必须充足，按照永久堵头顶部空腔理论体积取1.5备料系数进行备料。水下不分散自流密实水泥砂浆室内配合比表材料名称水水泥砂(粒径《5咖)聚羧酸配料重量/kg1635821455水泥重量4.5%⑥灌浆效果检查以四种方式进行:a利用平压堵头顶部测压排气管上安装压力表(安装在EL.585.5m高程)监测水头压力变化，当压力表计数降低至0.14MPa以下时，视为封堵灌浆己初见成效；b通过各排孔灌后钻孔检查，孔内无大量涌水、无明显渗水、无脱空，同时检査压水试验透水率小于1Lu视为该孔灌浆结果满足设计要求；C打开平压堵头预埋的排水管检查，排除永久堵头与平压堵头间空腔积水，通过排水管最后的稳定流量判断永久堵头封堵效果，最后打开钢闸门进入永久堵头下游，对原透水通道进行检査，无明显渗漏水则封堵灌桨的堵断效果已满足设计要求，只需进一步对堵头进行加强培厚灌浆d进入永久堵头内预留的灌浆廊道进行回填固结灌浆钻孔时，孔内无涌水、无明显脱空，则封堵灌浆完全达到设计要求。上述水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，对于孔口涌水封闭及安全保证措施，①钻机平台与底板采用①25咖n级L=1.5m、外露0.2m注浆锚杆焊接连接，钻机平台与钻机机座焊接连接牢固。②孔口管11的镶管方式为开孔孔径为小91mm，钻孔进入岩石以下3m，进行第一段灌注，灌浆压力为2MPa，灌浆结束前利用0.5:1的混合浓浆换出孔内清浆，置入孔口管ll，待凝3天。③孔口管11镶铸完成后，在靠近底板位置焊接一块10mm厚、边长200mm加固钢板12，四周设置4根0>25mmn级L=1.5m外露0.2m注浆锚杆13与底板连接牢固，保证孔口管11在钻孔灌浆过程中不移位或松动。孔口管11高出地面O.lm位置以上焊接两根Dg50mm排水支管6和10，排水支管上分别安装两个Dg50mm不锈钢球阀7和不锈钢球阀9(耐压等级1.6Mpa，只使用一次，不得反复利用)，不锈钢球阀7和不锈钢球阀9后用同口径胶管接至612m灌浆隧洞施工支洞以利涌水时泄水安全，胶管沿隧洞边墙用O25mmll级L=0.6m(外露0.3m)间距3m注浆锚杆固定。⑤在孔口管11镶铸完毕后，孔口管11上安装一个Dg75mm不锈钢球阀5(耐压等级1.6Mpa，只使用一次，不得反复利用)，球阀5以上再接孔口封闭器4，先将所有球阀打开，用4>45mm的钻具钻至5m，起钻后关闭孔口管上Dg75mm不锈钢球阀5及排水支管6上的不锈钢球阀7，从Dg50mm支管10接压水管路，向孔内进行压水试验，压水压力1.4Mpa，压水时间持续20min，检查孔口封闭器4、孔口管11密封及耐压性能，若是有漏水现象，需更换孔口封闭器4或重新镶铸孔口管ll，直至满足不漏水及耐压要求。⑥孔口管11及孔口封闭器4满足密封要求后，4)42mm的钻杆l内安装防高压返水安全控制装置15，穿过封闭器4及球阀5，进入孔底钻进至空腔，涌水即可通过孔口管上Dg50mm排水支管6和排水支管10泄水至右岸612m施工支洞处。⑦钻至空腔，停止钻进，分节拆出钻杆l，钻杆拔高至Dg75咖不锈钢球阀5以上时，立即将Dg75mra不锈钢球阀5及孔口管上Dg50mm不锈钢球阀7和9关闭，将涌水封在孔内，再拔出上部钻杆钻具。安装灌浆管路，进浆管连接在Dg50腿排水支管IO上，接通砂浆泵，即可进行灌浆，灌浆时，将Dg50咖不锈钢球阀9打开，灌浆压力超过库水位压力。在灌浆泵出浆口处设置一回桨管路进行分流卸压，控制灌浆压力。灌浆结束时送入少量水将Dg50mm不锈钢球阀9关闭，待凝后，将孔口管上Dg50咖排水支管10及不锈钢球阀9用电锤钻钻通，开始扫孔复灌或钻至下一层灌浆。本发明的有益效果对承受130m高水头压力下，导流孔透水、渗水，用常规方法无法处理的情况。为保证在灌衆廊道钻孔至导流洞顶部空腔处的钻孔安全、防孔内高压力返水，采用集钻杆内止水、排水泄压、孔口封闭、钻灌施工安全等多功能于一体的"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置"及"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"，解决了孔内高水头涌水工况下安全钻孔灌浆的施工；解决了在130m高水头条件下进行封堵，这样一道世界水电工程施工中未曾报导的难题。减少2亿多元的直接和间接经济损失，有良好的经济效益，同时为我国水电站130米高水头压力下，导流孔透水、渗水的封堵难题开创了一条新路。图1是高压水头下大流量高速射流封堵钻灌安全控制装置示意图；图2是高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置示意图；图3是永久堵头封堵灌浆孔位布置剖面图；图4是永久堵头封堵灌浆孔位布置平面图。在图14中的，1、4>42钻杆，2、孔口封闭器压盖，3、孔口封闭器胶球，4、489孔口封闭器，5、Dg75不锈钢球阀，6、4>50排水支管，7、Dg50不锈钢球阀，8、压力表，9、Dg50不锈钢球阀，10、》50排水支管兼进浆管，11、L-3.6m(l)75孔口管，12、S,mm，边长0.2m加固钢板，13、①25mm，L=1.5m注浆锚杆，14、小91开孔钻孔(入岩3m)，15、钻杆内防高压返水安全控制装置，16、4>47钻孔，17、永久堵头上层脱空，18、导流洞衬砌砼，19、永久堵头下层脱空，20、前期处理投放堆积层，21、导流洞封堵砼，22、上部钻杆接头，23、小12钻杆接头中空孔，24、钻杆接头高强螺纹丝扣，25、防高压返水安全控制装置，26、钢球((H5)，27、(H3X(HX10弹簧，28、弹簧座，29、*12弹簧座中空孔，30、4>28控制装置中空孔，31、下部钻杆接头，32、612灌浆廊道，33、612灌浆廊道轴线与导流洞相交处的导流洞桩号，34、第I排孔，35、第II排孔，36、第m排孔，37、第1V排孔，38、第V排孔，39、导流洞，40、导流洞永久堵头段上游端，41、导流洞永久堵头段下游端，42、导流洞永久堵头预预留灌浆廊道，43、导流洞补强堵头。具体实施例方式实施例结合附图14，通过施工实践叙述具体实施工艺1、模拟及生产性灌浆试验为验证施工方案设计的可行性以及安全可靠性，在EL.612m辅助洞外具有110m水头压力的供水钢管上，于2008年7月7日7月12日进行了模拟试验，取得了灌浆工艺、灌浆设备及灌浆材料适应性的初步资料，效果明显。在进一步细化了施工方案后，于2008年11月24日12月3日又在EL.612m廊道内进行了生产性灌浆试验取得成功，验证了高水头下造孔安全性、灌浆安全性、可灌性、机械设备配置的合理性等参数。通过试验一共对原施工方案实施细节上进行了改进和完善。2009年2月15日封堵灌浆开始正式施工。2、施工工艺流程施工准备一钻孔至基岩3m镶铸4>75孔口管11—安全性试压水一钻进至第一层脱空17—灌注水下不分散自流密实砂浆一钻进至第二层脱空19—灌注水下不分散自流密实砂浆一钻进至堵头混凝土21内0.5m—灌注水下不分散纯水泥浆—灌浆封孔。3、钻孔施工钻孔采用XY-2PC型地质钻机，合金钻头钻进，地质钻机布置在高lm钻机平台上。开孔孔径4)9lmm，终孔孔径(J)47iM。第一段钻孔进入基岩3m，镶铸孔口管ll，进入基岩3m，高出底板0.2m，单根长度3.6m。镶铸孔口管11完毕安装Dg75咖球阀5及孔口封闭器4，改用4>45咖无芯合金钻头钻至5m孔深，进行安全性试压水，压水压力1.4MPa，检查孔口管11、球阀5、球阀7、球阀9及封闭器4等是否密封、耐压及镶铸牢固，无问题后在钻杆1内安装防高压返水安全控制装置15，继续钻迸至脱空部位。4封堵灌浆施工灌浆水泥采用"畅达"牌P.042.5普通硅酸盐水泥，灌浆用砂采用粒径《5咖人工砂。灌注"水下不分散自流密实砂浆"主要采用强制式砼搅拌机拌制砂浆一输送至砂浆搅拌机一接至专用UB8.0型高压砂衆泵灌注。灌注"水下不分散纯水泥浆"主要采用高速制浆机拌制纯水泥浆一输送至砂浆搅拌机一接至SGB6-10型高压灌浆泵灌注。灌浆前期，同排内同时施工孔数不超过2孔；灌浆后期，脱空大部分被充填，透水通道由集中透水改变为网状细小通道及岩石裂隙透水，施工方案调整为同排孔全部钻孔后再进行灌注。为保证永久堵头回填及固结灌桨施工人员及设备安全，在原设计灌浆封堵段上游导流洞K0+273桩号增加第VI排孔，确保了封堵段的有效堵断厚度。导流洞永久堵头封堵灌浆共计钻孔33个，基岩钻孔517.8m，灌入"水下不分散自流密实砂浆"26L20m3，灌入"水下不分散纯水泥浆"209.31t。各排灌入量见表2。从表2可看出，主灌排(第I、II、IV、VI排)共计灌入水下不分散自流密实砂浆261.20m3，水下不分散纯水泥浆188t，中间加固培厚排(第III、V排)灌入水下不分散纯水泥浆21.31t，灌入量递减明显，符合灌浆规律。灌浆材料现场取样试验性能见表1。表1灌桨材料现场取样试验性能指标一览表<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>注材料名称内编号1为水下不分散自流密实砂浆，编号2为水下不分散纯水泥浆。水下不分散自流密实砂浆一共取样12组，水下不分散纯水泥浆一共取样9组。表2导流洞永久堵头封堵灌浆各排注入量一览表<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>5、封堵灌浆效果检查封堵灌浆施工从2XXX年2月15日开始施工，2月25日正式开灌，3月23日平压堵头排气测压管监测压力表读数降到0.31MPa，3月25日打开排气管排水泄压后，监测压力表读数降为0MPa，初步判定封堵已初具成效；3月31日，打开平压堵头排水管泄水，4月1日，割开钢闸门进入永久堵头下游进行检查，永久堵头原透水通道已无水流，封堵成功；4月15日，永久堵头内回填灌浆钻孔完毕，无明显脱空、无涌水，封堵灌浆效果满足设计要求。经检查，永久堵头原透水通道集中水流出口处堵头混凝土被冲刷成上月牙形状，宽0.5m、高36cm，导流洞衬砌混凝土被冲刷成长1.5m、宽0.3m、深0.2m槽状，混凝土内钢筋悉数被冲断，断面整齐锋利。施工工艺流程中说明1、封堵灌浆主要施工工艺流程为准备工作一钻孔至基岩与衬砌砼之间的上层脱空17—灌浆直至结束一钻孔至衬砌砼与封堵砼之间的下层脱空19—灌浆直至结束一钻孔至堵头混凝土21内0.5m—灌浆直至结束。因此，单个灌浆孔可能进行多次扫孔复灌，直至达到设计封堵要求。2、本发明实施例中钻孔设计与布置封堵灌浆施工主要在大坝右岸EL.612m灌浆隧洞内与导流洞交叉部位进行，钻孔考虑结合前期模袋孔以及推测永久堵头透水通道和脱空情况进行布置。钻孔以大坝右岸EL.612m灌浆隧洞轴线为中心，上下游对称布置五排灌浆孔。根据模袋孔钻孔探查情况，堵头上下游两端脱空较大，且存在上下两层脱空，堵头中部脱空较小，推测无上层脱空。为实现尽快达到堵水目的，结合前期模袋孔布孔位置，五排堵漏灌浆孔施工顺序为第I排孔34(中间排)一第II排孔35(上游排)一第III排孔36(上游排与中间排之间)一第IV排孔37(下游排)一第V排孔38(下游排与中间排之间)。其中第m排孔36、第V排孔38作为加固培厚排，主要起加强及培厚作用。钻孔按排间分五序，排内分两序加密原则布置。开孔排距0.5m，孔底排距3.5m，孔距2m，排间梅花形布孔。3、从图3及图4中可以看出，以612灌浆廊道32轴线为中心，对称布置五排灌浆L，排间梅花形布孔，孔底排距3.5m，排内孔距2m，排内分两序施工。第I排孔34铅垂，沿导流洞轴线对称布孔6个；第II排孔35倾向上游24。，沿导流洞轴线对称布孔6个；第III排孔36倾向上游12°，沿导流洞轴线对称布孔5个；第IV排孔37倾向下游24。，沿导流洞轴线对称布孔6个；第V排孔38倾向下游12°，沿导流洞轴线对称布孔5个。五排孔排间施工顺序按编号进行施工，先施工上游三排孔(上游三排施工顺序下游排一上游排一中间排)，另两排待上游三排施工完毕后再行施工，对上游三排孔灌浆效果进行检查及加强培厚。4、主要施工工艺，由于永久堵头存在上下两层脱空，钻模袋孔时两层空腔己连通，同时，前期处理时，抛投了很多粒状堆积物，致使永久堵头原设计承载能力产生较大改变。封堵灌浆不仅需要回填空腔堵水，还需要对粒状堆积物层、己破坏围岩及冲刷破坏混凝土重新进行灌浆加固处理。5、采用本发明《高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术》中的"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置"及"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"两种装置，在
发明内容中叙述时，是按照设备工作时其必要部分作为组成部分，所以，基岩上钻的孔、堵头上钻的孔也作为设备的一部分来叙述，而不仅仅考虑金属制作的设各部分。我们认为，这样让本专业的技术人员能更加容易理解本发明。权利要求1、水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，其特征是其技术方案是这样的，首先，确定透水位置，对各种水电站容易产生透水位置，透水点压头大小进行划分，依次为大坝基础未处理好的溶洞、断层透水，导流洞周围渗水透水、导流洞堵头透水，灌浆隧洞部分渗水透水，上部灌浆隧洞以上坝及周围岩层的疏松结构渗水透水，对于在上述四种不同的透水位置的封堵，采用不同的封堵灌浆技术；①透水产生为大坝基础未处理好的溶洞、断层透水，透水点一般在坝前期，一般开始蓄水就会出现；采用《围堰高效快速防渗堵漏技术》(申请号2007100777532)方法为采用的封堵灌浆技术为钻孔、安装灌浆射浆管路、灌浆的步骤，其中，钻孔全孔采用风动潜孔钻偏心跟管钻进，钻孔结束后，安装好灌浆射浆管路，再用拔管机将孔内套管拔出，然后通过灌浆射浆管路的灌浆尾管向孔内加压灌浆，将全部的钻孔加压灌浆完毕，就完成了围堰的高效快速防渗堵漏过程；在透水处附近区域进行灌浆封堵处理，根据水库蓄水高度，或透水处的水压大小来调节防渗堵漏技术中灌浆的压力，在透水、渗水部分压头高于50m～130m时，要求同时采用本发明《高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术》中的“高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置”及“高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置”两种装置进行灌浆封堵施工工艺；②透水、渗水位置为导流洞周围渗水透水、永久堵头透水水头压头高至50m～130m时，本发明选择与透水导流洞位置与原施工最近的同在大坝一侧的灌浆隧洞内与导流洞交叉部位进行堵漏工作，从同侧的灌浆隧洞确定位置钻孔至导流洞永久堵头顶部空腔，安装灌浆管路，实施《高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术》中的“高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置”及“高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置”进行灌浆封堵；③灌浆隧洞、上部灌浆隧洞以上坝及周围岩层的疏松结构渗水透水，采用《围堰高效快速防渗堵漏技术》(申请号2007100777532)堵漏方法在透水处进行封堵灌浆完成透水的封堵。2、根据权利要求1所述的水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，其特征是对于②确定为导流洞周围渗水透水、永久堵头透水，施工时人员和设备面临130m左右高水头压力风险，采用的导流洞周围渗水透水、永久堵头透水堵漏施工技术方案①首先将导流洞永久堵头上部透水通道内水流由动水改变为相对静止工况；^在永久堵头下游导流洞内设置现浇混凝土平压堵头迸行平压，促使永久堵头透水通道处于相对静止状态，平压堵头内设置钢闸门，以便作为后期灌浆效果检查以及进入永久堵头预留廊道进行回填固结灌桨的进场通道；②承受130m高水头压力下，为保证在灌浆廊道钻孔至导流洞顶部空腔处的钻孔安全、防孔内高压力返水，采用集钻杆内止水、排水泄压、孔口封闭、钻灌施工安全功能于一体的"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置"及"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"，解决了孔内高水头涌水工况下安全钻孔灌浆的施工；③由于存在局部渗流，致使透水通道内还存在动水工况，配制专门针对动水工况下，还能保持良好凝结性能及强度的"水下不分散自流密实砂浆"和"水下不分散纯水泥浆"作为主要灌浆材料；然后，进杵施工准备一钻孔至基岩3m镶铸4)75孔口管(11)—安全性试压水一钻进至第一层脱空(17)—灌注水下不分散自流密实砂浆一钻进至第二层脱空(19)—灌注水下不分散自流密实砂浆一钻进至堵头混凝土(21)内0.5m—灌注水下不分散纯水泥浆一灌浆封孔。3、根据权利要求2所述的水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，其特征是封堵灌浆施工工艺使用的"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置"，它是由4>42钻杆(l),孔口封闭器压盖(2)，孔口封闭器胶球(3)，4>89孔口封闭器(4),Dg75不锈钢球阀(5),4>50排水支管(6)，Dg50不锈钢球阀(7)，压力表(8)，DgS0不锈钢球阀(9)，4>50排水支管(IO)兼进浆管，4)75L=3.6m孔口管(ll)，5=10mm边长0.2m加固钢板(12),O25mm，L=1.5m注浆锚杆(13)，开孔4>91mm钻孔入岩(14)、钻杆内防高压返水安全控制装置(15)，4>47钻孔(16)，永久堵头上层脱空(17),导流洞衬砌砼(18)，永久堵头下层脱空(19),前期处理投放堆积层(20),导流洞封堵砼(21)所组成；开孔钻孔(14)的孔径为d)91mm，深入基岩3m，镶铸一根长3.6m4>75的孔口钢管(11)，孔口S-10mm，边长0.2m管用钢板(12)焊接加固，钢板(12)四周用四根025mm，L-1.5m注浆锚杆(13)镶注在地板上，确保孔口管稳固、牢靠、不移动；孔口管(11)以上接两根4)50的排水支管(6)和排水支管(10),排水支管(6)上接两个Dg50不锈钢球阀(7)，排水支管(10)兼作灌浆进浆管，其上接压力表(8)和两个Dg50不锈钢球阀(9)，孔口钢管上部安装一个Dg75不锈钢球阀(5),以上再接4)89孔口封闭器(4);钻孔时，4)42钻杆(1)穿过孔口封闭器(4)及球阀(5)而进入孔内，上紧孔口封闭器压盖(2)，使孔口封闭器胶球(3)膨胀达到止水的目的，钻杆(1)下端内安装防高压返水安全控制装置(15),确保钻穿空腔时，孔内高压返水不从钻杆(l)的顶部射出，保证了起下钻拆卸钻杆时的安全；同时，排水支管(6)与排水支管(10)不锈钢上接的不锈钢球阀(7)和不锈钢球阀(9)均处于打开状态，一旦钻穿空腔，高压水则通过排水支管排i，排水支管上接》50排水管将水引至615廊道施工支洞排放;起钻采用2PC型地质钻机，从其卡盘以上拆卸钻杆，钻杆一旦起出至4)75不锈钢球阔(5)以上时，立即关闭不锈钢球阀(5)，同时也可关闭排水支管(6)上的不锈钢球阀(7)和排水支管(10)上的不锈钢球阀(9)，通过压力表(8)测孔内返水压力；灌浆时，把排水支管(10)作为进浆管，接通至灌浆泵，打开不锈钢球阀(9)，即可进行灌注，通过压力表(8)监测灌浆压力，灌浆结束关闭不锈钢球阀(9)进行屏浆待凝。4、根据权利要求2所述的水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，其特征是封堵灌浆施工工艺及"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"，由上部钻杆接头(22)，钻杆接头4)12中空孔(23)，钻杆接头高强螺纹丝扣(24)，防高压返水安全控制装置(25)，4>15钢球(26)，4>13X小1X10弹簧(27)，弹簧座(28)，弹簧座612中空孔(29)，4>28控制装置中空孔(30)，下部钻杆接头(31)组成；上部钻杆接头(22)通过高强螺纹丝扣(24)与防高压返水安全控制装置(25)连接，钻孔时，从上部钻杆接头(22)的中空孔(23)向下供给钻孔冷却水及钻孔冲洗液，在压力水作用下，弹簧(27)收縮，冷却水自上而下穿过弹簧座(28)的中空孔(29)进入下部钻杆接头(31)，向下进入钻孔内；当钻穿空腔遇高压返水时，弹簧(27)伸直，返水将钢球(26)托起，封住上部钻杆接头(22)的中空孔(23)，从而达到反向止水的目的。5、根据权利要求2所述的水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌桨技术，其特征是对于封堵灌浆技术参数①封堵灌浆按照排间分序、排内加密、同时兼顾由低到高的原则进行施工；②封堵灌浆有两个目的，一是有效堵水，二是对前期处理施工中的抛投料及被透水破坏的围岩及混凝土进行加固。针对这两种情况，封堵灌浆主要采用"水下不分散自流密实砂浆"和"水下不分散纯水泥浆"两种灌桨材料；(D灌注大体积脱空时，采用"孔口封闭纯压式"灌浆工艺，灌浆材料选用"水下不分散自流密实砂浆"，灌浆压力为大于孔内涌水压力0.1MPa0.3MPa，结束标准为达到设计压力情况下，注入率小于10L/min时，持续灌注10min即结束；④灌注细小裂缝或透水通道时，采用"孔口封闭、孔内循环"灌浆工艺，灌浆材料选用"水下不分散纯水泥浆"，灌浆压力为3MPa5MPa，结朿标准为达到设计压力情况下，注入率小于1L/min时，持续灌注60min即结束；⑤灌浆材料备料必须充足，按照永久堵头顶部空腔理论体积取1.5备料系数进行备料。水下不分散自流密实水泥砂浆室内配合比表材料名称水水泥砂(粒径《5咖)聚羧酸配料重量/kg1635821455水泥重量4.5%⑥灌浆效果检查以四种方式进行a利用平压堵头顶部测压排气管上安装压力表，安装在.￡1585.5111高程，监测水头压力变化，当压力表计数降低至0.14MPa以下时，视为封堵灌浆已初见成效；b通过各排孔灌后钻孔检査，孔内无大量涌水、无明显渗水、无脱空，同时检査压水试验透水率小于1L/mhi视为该孔灌浆结果满足设计要求；C打开平压堵头预埋的排水管检查，排除永久堵头与平压堵头间空腔积水，通过排水管最后的稳定流量判断永久堵头封堵效果，最后打幵钢闸门进入永久堵头下游，对原透水通道进行检查，无明显渗漏水则封堵灌浆的堵断效果已满足设计要求，只需进一步对堵头进行加强培厚灌浆；d进入永久堵头内预留的灌浆廊道进行回填固结灌浆钻孔时，孔内无涌水、无明显脱空，则封堵灌浆完全达到设计要求。6、根据权利要求2所述的水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，其特征是对于孔口涌水封闭及安全保证，施，①钻机平台与底板采用①25咖II级L=l.5m、外露0.2m注浆锚杆焊接连接，钴机平台与钻机机座焊接连接牢固；②孔口管(11)的镶管方式为幵孔孔径为4)91mm,钻孔进入岩石以下3m,进行第一段灌注，灌浆压力为2MPa，灌浆结朿前利用0.5:1的混合浓浆换出孔内清浆，置入孔口管(11)，待凝3天；③孔口管(11)镶铸完成后，在靠近底板位置焊接一块10mm厚、边长200mm加固钢板(12)，四周设置4根①25咖II级L=1.5m外露0.2m注桨锚杆(13)与底板连接牢固，保证孔口管(11)在钻孔灌浆过程中不移位或松动；@孔口管(11)高出地面0.1m位置以上焊接两根Dg50咖排水支管(6)和排水支管(10)，排水支管上分别安装两个Dg50咖不锈钢球阀(7)和不锈钢球阀(9)其耐压等级1.6MPa,只使用一次，不得反复利用，不锈钢球阀(7)和不锈钢球阀(9)后用同口径胶管接至612m灌浆隧洞施工支洞，胶管沿隧洞边墙用025咖II级L=0.6m其外露0.3m、间距3m注浆锚杆固定；(D在孔口管(11)镶铸完毕后，孔口管(11)上安装一个Dg75咖不锈钢球阀(5)其耐压等级1.6MPa，只使用一次，不得反复利用，不锈钢球阀(5)以上再接孔口封闭器(4)，先将所有球阀打开，用4>45咖的钻具钻至5m，起钻后关闭孔口管上Dg75咖不锈钢球阀(5)及排水支管(6)上的不锈钢球阀(7),从Dg50咖排水支管(10)接压水管路，向孔内进行压水试验，压水压力1.4MPa,压水时间持续20min,检查孔口封闭器(4)、孔口管(11)密封及耐压性能，若是有漏水现象，需更换孔口封闭器(4)或重新镶铸孔口管(11)，直至满足不漏水及耐压要求；孔口管(11)及孔口封闭器(4)满足密封要求后，4)42咖的钻杆(1)内安装防髙压返水安全控制装置(15)，穿过封闭器(4)及不锈钢球阀(5)，进入孔底钻进至空腔，涌水即可通过孔口管上Dg50mm排水支管(6)和排水支管(10)泄水至右岸612m施工支洞处；⑦钻至空腔，停止钻进，分节拆出钻杆(1)，钻杆拔高至Dg75咖不锈钢球阀(5)以上时，立即将Dg75咖不锈钢球阀(5)及孔口管上Dg50咖不锈钢球阀(7)和不锈钢球阀(9)关闭，将涌水封在孔内，再拔出上部钻杆钻具，安装灌浆管路，迸浆管连接在Dg50咖排水支管(10)上，接通砂浆泵，即可进行灌浆，灌浆时，将Dg50咖不锈钢球阀(9)打开，灌浆压力超过库水位压力，在灌浆泵出浆口处设置一回浆管路进行分流卸压，控制灌浆压力。灌浆结束时送入少量水将Dg50咖不锈钢球阀(9)关闭，待凝后，将孔口管上Dg50咖排水支管(10)及不锈钢球阀(9)用电锤钻钻通，开始扫孔复灌或钻至下一层灌浆。全文摘要本发明水电站高压水头下大流量高速射流封堵灌浆技术，对承受50m～130m高水头压力下，导流孔透水、渗水，采用集钻杆内止水、排水泄压、孔口封闭、钻灌施工安全等多功能于一体的“高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装置”及“高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置”，解决了孔内高水头涌水工况下安全钻孔灌浆的施工；完成了在高水头条件下进行封堵，这样一道世界水电工程施工中未曾报导的难题。减少2亿多元的直接和间接经济损失，有良好的经济效益，同时为我国水电站130米高水头压力下，导流孔透水、渗水的封堵难题开创了一条新路。文档编号E02B3/16GK101654907SQ20091010278公开日2010年2月24日申请日期2009年9月11日优先权日2009年9月11日发明者张晓安,曾凡顺,李定忠,李群生,王琳瑞,罗朝文,胡大云,建顾,魏永华申请人:中国水利水电第九工程局有限公司