专利名称：高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于水利水电技术装备领域，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钻孔灌浆封堵的高压水头下钻杆内防高压返水安全控制装置。
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、地下水位快速 涌高、水头压力抬升过快等工程工况施工过程中，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、渗水点面不集中、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 生各种复杂工况，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，同时，会造成极大经济损失。 本发明水电站下闸蓄水后，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。这给电站大坝及下游 厂房安全构成了严重威胁，对此业主高度重视，将消除此安全隐患列为头等大事，多次召开 专家咨询会议会诊隐患形成原因，研究处理方案。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130m高水 头条件下进行封堵，这是一道世界水电工程施工中未曾遇到的难题。 常规透水处理前期主要采取模袋灌浆为主、临时平压堵头为辅的处理方案。处理 方案分为三期施工一期为从EL. 658m灌浆廊道钻孔进行模袋灌浆施工；二期为钻孔进行 砂浆、麻袋棒、级配碎石料、橡胶球抛投施工；三期为从永久堵头下游射水处钢板强堵与模 袋灌浆综合治理施工。前期处理措施虽取得一定成果，但由于库水位上升快、高压射水流速 急、流量大，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，申请人施工单位研发了 "水电站导流洞130m高水头下大流量高速射流封 堵"施工技术方案，同时研制出了"高压水头下大流量高速射流封堵钻灌孔口安全控制装 置"及本发明的"高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置"，经过从右岸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。
发明内容本发明的发明目的，通过对以往的突发涌水、渗水工况处理失败和成功的原因进 行分析，依托本次水电站130m高水头下导流洞永久堵头的高速射流透水处理展开技术攻 关，按提出安全可行的封堵技术方案，指导施工，同时，研制出适合于高水头大流量高速射 流工况下安全钻孔灌浆的钻杆内防高压返水安全控制装置，确保起下钻施工安全。 本实用新型高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置，其中高压水头下钻 孔钻杆内防高压返水安全控制装置由上部钻杆接头1、中空孔2、高强螺纹丝扣3、防高压返 水安全控制装置4、钢球5、弹簧6、弹簧座7、下部钻杆接头10组成；上部钻杆接头1通过高 强螺纹丝扣3与防高压返水安全控制装置4上部连接，防高压返水安全控制装置4中间有 弹簧座7安放的弹簧6上安放钢球5，下部钻杆接头10通过头上的高强螺纹丝扣3与防高 压返水安全控制装置4下部连接。 本发明的有益效果，对承受130m高水头压力下，水电站导流孔透水、渗水，用常规 方法无法处理的情况下，作为封堵灌浆技术中的一个关键设备，该装置安全、可靠、经济、实 用，在同类工程中可推广应用。帮助解决了在130m高水头下导流孔透水、渗水的封堵这样 一道世界级的难题，本发明有良好的经济效益和社会效益。
图1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 在图1中的，1、上部钻杆接头，2、小12钻杆接头中空孔，3、钻杆接头高强螺纹丝 扣，4、防高压返水安全控制装置，5、 (M5钢球，6、 (M3X (MX10弹簧，7、弹簧座，8、小12弹 簧座中空孔，9、小28控制装置中空孔，10、下部钻杆接头。
具体实施方式结合图1说明其施工中的作用，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1、中空孔2、高强螺纹丝扣3、防高压返水安全控制装置4、钢球5、弹簧6、 弹簧座7、下部钻杆接头10组成；钻杆接头1的端部有高强螺纹丝扣3，上部钻杆接头1通 过高强螺纹丝扣3与防高压返水安全控制装置4上部连接，防高压返水安全控制装置4的 上部中间部分有弹簧座7，它安放的弹簧6上安放钢球5，下部钻杆接头10通过头上的高强 螺纹丝扣3与防高压返水安全控制装置4下部连接；钻孔时，从上部钻杆接头1的中空孔2 向下供给钻孔冷却水及钻孔冲洗液，在压力水作用下，弹簧6收縮，冷却水自上而下穿过弹 簧座7的中空孔8进入下部钻杆接头10，向下进入钻孔内；当钻穿空腔遇高压返水时，弹簧 6伸直，返水将钢球5托起，封住上部钻杆接头1的中空孔2，从而达到反向止水的目的。 实施例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，由于采用本发明装置施工安全、机械设备配置的合理。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。开始正式施工。 2施工工艺流程 施工准备一钻孔至基岩3m镶铸小75孔口管一安全性试压水一钻进至第一层脱空 —灌注水下不分散自流密实砂浆一钻进至第二层脱空一灌注水下不分散自流密实砂浆一 钻进至堵头混凝土内0. 5m —灌注水下不分散纯水泥浆一灌浆封孔。 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。 开孔孔径小91mm，终孔孔径小47mm。第一段钻孔进入基岩3m，镶铸孔口管，进入基岩3m，高 出底板O. 2m，单根长度3. 6m。 镶铸孔口管完毕安装Dg75mm球阀及孔口封闭器，改用小45mm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、球阀及封闭器等是否密封、耐 压及镶铸牢固，无问题后在钻杆内安装防高压返水安全控制装置，继续钻进至脱空部位。 最后进行封堵灌浆施工。通过本工程实例对高压水头下大流量高速射流封堵钻孔 钻杆内防高压返水安全控制装置的应用，充分验证了该装置经受住了 130米高水头压力返 水的考验，使封堵钻孔灌浆取得成功，攻克了世界级难题，该装置安全、可靠、经济、实用，在 同类工程中可推广应用。
权利要求高压水头下钻孔钻杆内防高压返水安全控制装置，其特征是该钻杆内防高压返水安全控制装置由上部钻杆接头(1)、中空孔(2)、高强螺纹丝扣(3)、防高压返水安全控制装置(4)、钢球(5)、弹簧(6)、弹簧座(7)、下部钻杆接头(10)组成；上部钻杆接头(1)通过高强螺纹丝扣(3)与防高压返水安全控制装置(4)上部连接，防高压返水安全控制装置(4)中间有弹簧座(7)安放的弹簧(6)上安放钢球(5)，下部钻杆接头(10)通过头上的高强螺纹丝扣(3)与防高压返水安全控制装置(4)下部连接。
专利摘要本实用新型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1、中空孔2、高强螺纹丝扣3、防高压返水安全控制装置4、钢球5、弹簧6、弹簧座7、下部钻杆接头10组成；上部钻杆接头1通过高强螺纹丝扣3与防高压返水安全控制装置4上部连接，防高压返水安全控制装置4的弹簧座7安放的弹簧6上安放钢球5，下部钻杆接头10通过头上的高强螺纹丝扣3与防高压返水安全控制装置4下部连接；在130m高水头压力水电站导流孔透水、渗水，用常规方法无法处理的情况下，作为封堵灌浆技术的关键设备，帮助解决了在130m高水头下导流孔透水、渗水的封堵这样一道世界级的难题，本实用新型装置安全、可靠、经济、实用，在同类工程中可推广应用有良好的经济效益和社会效益。
文档编号E21B17/042GK201486523SQ20092012570
公开日2010年5月26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, 曹玉敏, 曾凡顺, 李定忠, 罗朝文, 顾建 申请人:中国水利水电第九工程局有限公司