一种用于堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管方法

1.本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管方法。


背景技术：

2.堰塞湖是指由于地质灾害（如滑坡、泥石流、岩屑崩塌等）或者自然灾害（如地震、洪水等）而导致的溪流、河流、湖泊等水体在水流通道上形成的临时性水体。滑坡堵江灾害通常发生在陡峭的山区或峡谷地区。当堰塞湖的水位达到一定高度时，会对堰塞坝造成极大的压力，如果堰塞坝不堪重负而破坏漫顶溃堰，因其松散堆积特性，其溃决速度和强度远超过同规模的施工碾压密实的土石坝，所释放的洪水和泥石流冲垮或淹没下游城镇、村庄、道路、桥梁等建筑物，会造成超过同规模溃坝的巨大人员伤亡和财产损失。因此，堰塞坝灾害是一种极其严重的自然灾害。
3.堰塞坝灾害在全球范围内频繁发生，尤其我国西南地区，地质构造运动强烈，地震频发，更是堰塞坝事件的高发区。近年来，全球气候变暖导致气候异常，极端天气频繁发生，强降雨和洪水等自然灾害也越来越频繁；同时随着人类活动的加剧，例如过度开发、不合理的土地利用、乱砍滥伐等，造成了大量的土地退化和水土流失，地质灾害的发生频率也越来越高。在这些条件下，一旦自然灾害发生，就更容易导致堰塞湖的形成和堰塞坝灾害的发生，危及人民群众的生命财产安全。
4.目前对于堰塞坝灾害治理的研究主要包括爆破、机械疏浚、人工排水、灌浆加固、开发利用等，其中关于堰塞坝拆除的方法一般包括爆破和堰塞坝顶部开挖直接泄水的方法，爆破的缺点是：第一，爆破拆除堰塞坝很不稳定，在上游的高水头压力下，采用爆破很可能直接导致堰塞坝的大体积溃坝，危害下游人民群众的生命财产安全；第二，爆破拆除受现场堰塞湖的具体情况制约较大，需要综合考虑地质、水文等方面的因素，很多情况下不能够采取爆破措施，只能转而寻找效率较低的疏浚排水方法。顶部开挖泄水的缺点在于：施工速度慢，且疏浚效率低下，很难控制泄水量，容易发生溃坝风险。


技术实现要素：

5.为克服现有技术弊端，本发明提供一种用于堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管方法。区别于传统的“水平定向钻法管道穿越工程技术”，本发明方法钻、扩、拖曳敷设工序一体化，所要穿越敷设的管道为镂空钢管道，无塌孔之忧；管径最小考虑1600mm，人员跟随进入至掌子面直接控制或处置问题；沿程可以通过镂空管管身孔眼进行润滑孔壁减阻，确保设备功率能满足特定孔径及长度的管道摩阻力。
6.本发明实现发明目的采用的技术方案是：一种用于堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管方法，包括一种用于堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管的装置，所述装置包括首部非开挖定向钻头，后连扩孔器，扩孔器尾部布置钻头控制设备，钻头控制设备通过可拆卸连接器连接所需要敷设的镂空管道。
7.非开挖水平定向钻进、牵引拉管敷设一步完成，包含如下步骤：步骤一：滑坡堵江堰塞湖灾害发生后，通过河段水情流量资料预测堰塞湖水位上涨速度，匹配本发明方法的施工进度，确定敷设完成时管道上游端处于水面之上的高程1。
8.步骤二：根据高程1确定钻孔开挖牵引的设计导向轨迹，在堰塞坝上游高程1位置整理出工作平台；据现场实际情况选择施工方向自下游至上游或自上游而下游。
9.步骤三：根据设计导向轨迹，用前述装置一次性完成非开挖钻进和镂空管道的牵引敷设。
10.在钻进牵引过程中通过镂空管道的管身孔眼，向管外周砂卵石孔壁喷注聚合物膨润土润滑减阻浆液，润滑减阻管外周并起到护壁作用。
11.对于上、下游长度超过700m的堰塞坝，管道外周摩阻力超过钻机设备最大推拉力，实施本方法时可在堰塞坝外部增加推管液压机，以满足镂空管道的拖曳牵引力。
12.步骤四：钻进敷设完成后，拆除连接器，在镂空管下游末端安装控制阀。
13.步骤五：将非开挖定向钻头、扩孔器和钻头控制设备运往施工起点，设置新的高程1工作平台，重复步骤三～步骤四，敷设其他镂空管道。
14.步骤六：末端控制阀关闭，待库水位上涨淹没镂空管道上游管口后，管道内进水、带压，则镂空管道的管身孔眼出水，对堰塞坝松散堆积体形成渗透破坏，乃至冲蚀冲刷，逐渐从末端溯源塌滑流失；当库水位涨至风险阈值高程时，打开控制阀降低库水位以控制漫顶溃堰风险，而后进行下一轮渗透破坏循环；控制住溃堰风险的同时，借助水渗透破坏的自然之力逐步拆除堰塞坝。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）通过非开挖水平定向钻进装置直接牵引镂空管道，一边钻孔一边敷设管道，实现了高速度、高效率处理堰塞坝灾害，解决了堰塞坝灾害处置花费时间长的问题。
16.（2）通过在堰塞坝灾害发生后的松散堆积体内部钻孔敷设镂空管道以诱导发生堰塞坝渗透破坏的方式，实现了堰塞坝的低风险自动拆除，解决了堰塞坝灾害治理难、高风险、高成本的问题。
附图说明
17.图1是本发明的结构布置剖面图。
18.图2是本发明的装置立视图。
19.图3是本发明的推管液压机立视图。
20.1——非开挖定向钻头；2——扩孔器；3——钻头控制设备；4——可拆卸连接器；5——堰塞坝；6——工作平台；7——设计导向轨迹；8——镂空管道；9——推管液压机10——控制阀；11——管身孔眼。
具体实施方式
21.本发明设计的一种用于堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管方法，其结构组成包括首部非开挖定向钻头1，后连扩孔器2，扩孔器2尾部布置钻头控制设备3，钻头控制设备3通过可拆卸连接器4连接所需要敷设的镂空管道8，非开挖水平定向钻进、牵引拉管敷设可在施工过程当中一步完成。
22.为顺利完成本发明提供的方法，在具体实施过程中正确估算牵引管道所需的推拉力，并据此选择合适的钻机设备非常重要。本发明方法建议采用《cecs 382-2014 水平定向钻法管道穿越工程技术规程》中的式5.4.2对所需推拉力进行估算：式中：l——管道长度（m）t——管道所受牵引力（kn）；fh——穿越钢管管段与钻孔孔壁之间的摩擦系数，一般取0.1~0.3；γm——钻孔泥浆的重度（kn/m3）；γm——管材的重度（kn/m2），钢管取78 kn/m
2；
k——润滑剂的粘滞系数（kn/m2），取0.15~0.35，润滑剂粘性较大时取大值，反之取小值；d1——管道外径（m）；d——管道内径（m）；t——管道壁厚（m）。
23.考虑一台可提供9000kn推拉力的非开挖定向钻机，管道与孔壁之间的摩擦系数取0.1，钻孔泥浆密度取2t/m3，由上述公式估算，可以得出大约能够拉动外径1.9m，内径1.8m，长617m的钢管；或者拉动外径1.6m，内径1.5m，长732m的钢管；对于顺河向长度《700m的中小型堰塞坝体来说，本发明具有充足的可行性；对于顺河向长度》700m的堰塞坝时，则需要考虑在尾部加装推管液压机。
24.市面上的非开挖定向钻机的钻头最大运行速度普遍在20~30m/min；在堰塞坝的松散堆积体内，其行进速度取2m/min，则24h的钻进长度可达2880m，这种高效率的施工方式可在滑坡堵江灾害发生后，迅速响应，快速敷设好镂空管道，有效避免溃坝灾害的发生。
25.在钻孔敷设镂空管的过程中，可根据实际情况，安排工程人员进入镂空管道中，通过管身孔眼向孔壁喷注膨润土润滑剂以起到润滑降低阻力的作用；或者在敷设管道以前，预先在镂空管道上刷一层膨润土润滑剂，以降低阻力；膨润土中还可以添加多种聚合物以改善其性能，达到润滑减阻以及护壁的目的。
26.本方法具体包含如下装置及其步骤：装置包括首部非开挖定向钻头1，后连扩孔器2，扩孔器2尾部布置钻头控制设备3，钻头控制设备3通过可拆卸连接器4连接所需要敷设的镂空管道8。
27.步骤一：滑坡堵江堰塞湖灾害发生后，通过河段水情流量资料预测堰塞湖水位上涨速度，匹配本发明方法的施工进度，确定敷设完成时管道上游端处于水面之上的高程1。
28.步骤二：根据高程1确定钻孔开挖牵引的设计导向轨迹7，在堰塞坝5上游高程1位置整理出工作平台6；据现场实际情况选择施工方向自下游至上游或自上游而下游。
29.步骤三：根据设计导向轨迹7，用前述装置一次性完成非开挖钻进和镂空管道8的牵引敷设。
30.在钻进牵引过程中通过镂空管道的管身孔眼11，向管外周砂卵石孔壁喷注聚合物膨润土润滑减阻浆液，润滑减阻管外周并起到护壁作用。
31.对于上、下游长度超过700m的堰塞坝，管道外周摩阻力超过钻机设备最大推拉力，实施本方法时可在堰塞坝外部增加推管液压机9，以满足镂空管道8的拖曳牵引力。
32.步骤四：钻进敷设完成后，拆除连接器4，在镂空管下游末端安装控制阀10。
33.步骤五：将非开挖定向钻头1、扩孔器2和钻头控制设备3运往施工起点，设置新的高程1工作平台，重复步骤三～步骤四，敷设其他镂空管道8。
34.步骤六：末端控制阀10关闭，待库水位上涨淹没镂空管道8上游管口后，管道内进水、带压，则镂空管道8的管身孔眼11出水，对堰塞坝松散堆积体形成渗透破坏，乃至冲蚀冲刷，逐渐从末端溯源塌滑流失；当库水位涨至风险阈值高程时，打开控制阀10降低库水位以控制漫顶溃堰风险，而后进行下一轮渗透破坏循环；控制住溃堰风险的同时，借助水渗透破坏的自然之力逐步拆除堰塞坝。

技术特征：
1.一种用于堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管方法，包括一种用于堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管的装置，所述装置包括首部非开挖定向钻头（1），后连扩孔器（2），扩孔器（2）尾部布置钻头控制设备（3），钻头控制设备（3）通过可拆卸连接器（4）连接所需要敷设的镂空管道（8）；其特征在于：非开挖水平定向钻进、牵引拉管敷设一步完成，包含如下步骤：步骤一：滑坡堵江堰塞湖灾害发生后，通过河段水情流量资料预测堰塞湖水位上涨速度，匹配本发明方法的施工进度，确定敷设完成时管道上游端处于水面之上的高程1；步骤二：根据高程1确定钻孔开挖牵引的设计导向轨迹（7），在堰塞坝（5）上游高程1位置整理出工作平台（6）；据现场实际情况选择施工方向自下游至上游或自上游而下游；步骤三：根据设计导向轨迹（7），用前述装置一次性完成非开挖钻进和镂空管道（8）的牵引敷设；步骤四：钻进敷设完成后，拆除连接器（4），在镂空管下游末端安装控制阀（10）；步骤五：将非开挖定向钻头（1）、扩孔器（2）和钻头控制设备（3）运往施工起点，设置新的高程1工作平台，重复步骤三～步骤四，敷设其他镂空管道（8）。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤三里，在钻进牵引过程中通过镂空管道的管身孔眼（11），向管外周砂卵石孔壁喷注聚合物膨润土润滑减阻浆液，润滑减阻管外周并起到护壁作用。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤三里，对于上、下游长度超过700m的堰塞坝，管道外周摩阻力超过钻机设备最大推拉力，实施本方法时可在堰塞坝外部增加推管液压机（9），以满足镂空管道（8）的拖曳牵引力。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：末端控制阀（10）关闭，待库水位上涨淹没镂空管道（8）上游管口后，管道内进水、带压，则镂空管道（8）的管身孔眼（11）出水，对堰塞坝松散堆积体形成渗透破坏，乃至冲蚀冲刷，逐渐从末端溯源塌滑流失；当库水位涨至风险阈值高程时，打开控制阀（10）降低库水位以控制漫顶溃堰风险，而后进行下一轮渗透破坏循环；控制住溃堰风险的同时，借助水渗透破坏的自然之力逐步拆除堰塞坝。

技术总结
本发明公开一种用于堰塞坝处置的水平钻孔牵引敷设镂空管方法，钻孔敷设管道装置包括首部非开挖定向钻头、后部连接扩孔器及控制设备、镂空管道牵引连接器。在发生滑坡堵江堰塞湖灾害后，通过该装置在松散堆积体内迅速水平钻进同时牵引埋置镂空管道。当水位上升至管口高程后，循环启、闭镂空管道末端的控制阀，通过渗透破坏使堰塞坝发生循序渐进的溯源滑塌，最终实现堰塞坝体的自动拆除。与现有堰塞坝灾害应急处理技术相比，本发明方法施工迅速、操作简单、节约资源，在发生滑坡堵江灾害时能够迅速响应，控制住溃堰风险的同时，借助水的自然之力逐步拆除堰塞坝，保障河谷上、下游安全。下游安全。下游安全。


技术研发人员：于雨弘 王东 刘湘 王亚忠 梁勤正
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/21