大崗山水電站深孔帷幕成孔綜合鉆探技術(shù)

張明明，韋 猛，劉振新

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都610059;2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊，山東 煙臺264000)

1 工程概況

大崗山水電站壩址位于四川省雅安市石棉縣境內(nèi)，為大渡河干流規(guī)劃的22個梯級中的第14個梯級電站，大壩采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高210 m，為國內(nèi)設(shè)防烈度最高的拱壩。大壩樞紐區(qū)主要為黑云二長花崗巖，另有輝綠巖脈、花崗細晶巖脈、閃長巖脈等巖脈穿插發(fā)育于花崗巖之中，其中尤以陡傾的輝綠巖脈分布最多。

按規(guī)范要求，大崗山水電站帷幕灌漿工程中對成孔質(zhì)量要求:頂角偏差為0.5°/100 m，其精度要求大大超過了常規(guī)鉆進的孔斜質(zhì)量控制要求。在孔深較大(＞100 m)時，很難控制相鄰灌漿孔的孔距和排距，減弱帷幕防滲的效果。在施工環(huán)境、施工設(shè)備受到約束的情況下，只有通過工藝、技術(shù)措施的優(yōu)化，才能實現(xiàn)大規(guī)模、高精度、低成本的鉆探成果。本文結(jié)合大崗山水電站深孔帷幕成孔防斜綜合工藝研究，以大壩左岸高程940 m平洞內(nèi)的帷幕灌漿試驗孔的施工過程為例，介紹該工區(qū)鉆探施工工藝、主要問題及解決措施。

2 鉆探施工

2.1 鉆探主要設(shè)備

鉆孔深度在70～200 m之間，根據(jù)孔深及灌漿廊道凈空尺寸(3.5 m×2.5 m)選擇以下設(shè)備:XY－2型鉆機，BW－150型泥漿泵，簡易四角鉆塔。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計規(guī)范要求帷幕灌漿區(qū)孔身為直孔結(jié)構(gòu)，終孔直徑76 mm;孔口封閉法灌漿，正常情況下用91 mm鉆頭開孔，鉆至2～5 m深度放入孔口管，再換用76 mm鉆頭鉆至設(shè)計深度。

2.3 鉆探施工工藝

0～5 m，硬質(zhì)合金鉆進;

5 m～設(shè)計深度，NQ繩索取心鉆探工藝;

清水護壁，遇漏失、破碎嚴重地層改用泥漿護壁(廢置泥漿需處理，不得直接排放)。

3 施工中主要鉆探問題

(1)受灌漿廊道凈高限制，繩索取心鉆具內(nèi)管長度較短(僅50～65 cm)，回次進尺量少，打撈內(nèi)管總成的頻次增多，工人勞動強度大;鉆桿脫扣、變形嚴重;孔壁間隙小，鉆桿回轉(zhuǎn)阻力大，磨損嚴重;巖石致密堅硬，最大肖氏硬度＞116HSD，新鉆頭胎體磨損消耗慢，底唇金剛石不易出露，鉆進效率低。

(2)鉆進中遇到軟硬互層、節(jié)理、層理或片理發(fā)育的地層;鉆機錨固不牢，隨鉆桿振動晃動較大，導(dǎo)致孔位偏移;鉆進規(guī)程參數(shù)選取不當，高壓高轉(zhuǎn)速等，易造成鉆孔彎曲事故。

(3)設(shè)計規(guī)范要求全孔取心，取心率≥85%，但部分孔段地層破碎嚴重，鉆頭克取阻力不均，鉆具產(chǎn)生縱－橫向振動，從而引起鉆具與孔壁、孔底劇烈的碰撞，導(dǎo)致巖心管內(nèi)的巖心振斷、磨損，巖心采取率低(見圖1)。即使使用專門巖心撈取工具進行巖心的補取工作，仍無法取得滿意效果。

圖1 部分巖心照片

4 解決鉆進效率低的措施

4.1 優(yōu)化鉆頭參數(shù)

(1)數(shù)據(jù)顯示，在施工中，起下鉆及提取巖心等其他輔助工序時間占鉆進時間的70%左右，導(dǎo)致鉆進效率低下，繩索取心工藝雖解決了這一問題，但是鉆頭的壽命仍制約了這一工藝的優(yōu)越性。近年來，多水口高胎體金剛石鉆頭的研制很好地解決了鉆進時效與鉆頭壽命相互矛盾的問題，通過對金剛石鉆頭胎體高度、水口位置和數(shù)量、胎體成分以及燒結(jié)工藝等進行優(yōu)化，再結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗效果，綜合評價，設(shè)計出壽命較高的多層水口高胎體鉆頭。

(2)金剛石機械碎巖效果與鉆頭唇面形狀有一定關(guān)系，普通平底型唇面的鉆頭鉆進穩(wěn)定性好，壽命長［1］，但是鉆進時效低，改用高低交錯型的唇面或者同心環(huán)鋸齒狀唇面，使孔底巖石成槽狀破壞，特別適用于堅硬打滑地層的鉆進。

(3)選用HRC15～25的鉆頭胎體硬度，降低胎體耐磨性，達到自磨出刃的效果。

(4)金剛石的濃度與鉆頭壽命和鉆進效率也有一定關(guān)系，金剛石濃度高，底唇面上單位面積出露的金剛石多，破碎巖石的支撐點就多，但是單粒軸向壓力很小，導(dǎo)致軸壓不足，達不到碎巖的目的，合理的金剛石濃度為75%～85%。

(5)在胎體中混入一定量的磨料，磨料能加速胎體的磨耗，使金剛石及時出露［2］。

4.2 磨粒鉆進

為了有效地磨削巖石，需要使胎體適當?shù)乇荒ノg，即鉆頭唇面具有自磨和自銳作用，胎體的磨耗速度過快會增大金剛石的消耗量，縮短鉆頭壽命;過慢，金剛石的出刃少，進尺效率低，因此，要求胎體磨耗速度略超前于金剛石的消磨速度。通常采用酸燒、金剛石砂磨屑等辦法解決金剛石出刃少的問題。但由于酸液處理的鉆頭，金剛石出露不均勻，砂磨費時且實際效果并不明顯。因此常采用向孔底投放碎石磨料的辦法，內(nèi)管提出后，通過繩索鉆桿向孔內(nèi)投入一定量的堅硬碎石(粒徑為0.5～1 cm)，再由經(jīng)驗豐富的鉆工操作鉆機，鉆具在孔內(nèi)上下提動4～6次，停泵不加壓“掃孔鉆進”對鉆頭進行預(yù)磨損。

孔底投磨料鉆進雖能使金剛石及時出露，但該方法仍有使用缺陷:一是由于碎石的粒度、硬度和投入量有差異，且鉆工操作水平不一致，對鉆頭微進尺控制不同，在停泵下磨損鉆頭，稍有不慎就可能發(fā)生燒鉆或金剛石過早脫落等事故;二是增加輔助時間，使鉆探成本增加。

4.3 應(yīng)用SYZX系列繩索取心液動錘

SYZX系列繩索取心液動潛孔錘(性能參數(shù)見表1)是將液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進和繩索取心結(jié)合為一體的鉆探器具，通過液動潛孔錘的高頻沖擊碎巖，同時起下鉆的次數(shù)減少，減輕升降鉆具中的抽吸和激動壓力，孔內(nèi)事故降低［3，4］。

表1 SYZX系列繩索取心液動錘鉆具的主要性能參數(shù)

4.3.1 結(jié)構(gòu)特點

(1)容積式?jīng)_擊作用，擊砧水墊影響小，能量利用率高，整體工作穩(wěn)定;

(2)軸向沖擊作用與回轉(zhuǎn)鉆進結(jié)合，產(chǎn)生微沖擊碎巖作用，增加鉆頭壓入巖石深度，切入量提高了，碎巖效果好;

(3)結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，維修費用低;

(4)鉆進適應(yīng)能力強，主要性能參數(shù)可調(diào)整范圍大，可滿足多種工藝鉆進需要［3］。

4.3.2 鉆進參數(shù)

鉆壓一般為8～10 kN;轉(zhuǎn)速248～538 r/min;繩索取心液動錘鉆進主要靠泥漿泵泵送的高壓流驅(qū)動，因此常采用較大的泵量，一般為72～90 L/min。

4.3.3 對比試驗成果

為對比分析繩索取心和繩索取心液動錘鉆進2種不同工藝的使用效果，在灌漿廊道內(nèi)選取鉆孔深度、鉆進參數(shù)和地層條件一致的幾組灌漿孔的施工，分別使用不同工藝鉆進，主要技術(shù)指標對比情況見表2和表3。

表2 繩索取心鉆進和繩索取心液動錘(繩沖)鉆進效果比較

表3 鉆孔測斜數(shù)據(jù)

從表2可以看出，使用繩索取心液動錘鉆進后，單回次進尺深度提升了10%，回次進尺達0.53 m(巖心管長0.65 m)，純鉆時間利用率提高;平均巖心采取率92%，同比提高12%，基本實現(xiàn)了全孔取心。

由表3可知，鉆孔彎曲情況為0.05°/15 m，終孔頂角偏差完全控制在0.5°/100 m內(nèi)，基本不需要進行鉆孔糾斜處理，表明繩索取心液動錘沖擊鉆進對鉆孔彎曲有一定預(yù)防作用。

4.4 鉆桿脫口、變形的預(yù)防

下鉆前要仔細檢查鉆桿的彎曲度和變形情況，彎曲量超過2 mm/3 m需矯直后再使用;鉆桿和接頭單邊磨損量超過1.2 mm，出現(xiàn)裂紋或者螺紋部分明顯變形，不再使用;用毛刷把適量的絲扣油涂抹在鉆桿立根的公螺紋上，減少擰卸過程中的磨損和增強密封性能，防止沖洗液和巖屑進入，磨損螺紋副;鉆桿螺紋部分經(jīng)淬火處理，增強耐磨性;涂抹鉆桿脂［4］，減少鉆桿與孔壁回轉(zhuǎn)阻力。

5 解決鉆孔偏斜的措施

5.1 進行回歸分析，預(yù)測鉆孔軌跡

利用數(shù)理統(tǒng)計的原理研究自變量(孔深L和開孔點在平面上的位置坐標［x，y］)和因變量(鉆孔頂角θ和方位角α)之間的相互關(guān)系，建立鉆孔軌跡彎曲規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測鉆孔軌跡在空間內(nèi)的延伸情況。通過數(shù)學(xué)的方法和計算機處理技術(shù)把實測的數(shù)值經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選，提高孔斜變化函數(shù)方程的準確性。

在鉆進方法、鉆進規(guī)程參數(shù)、地層條件、鉆頭類型、孔身結(jié)構(gòu)等相同或大體相同的情況下，搜集前期已施工的鉆孔測斜數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，用多元回歸分析法擬合關(guān)于鉆孔頂角和方位角變化趨勢的近似方程［6］。根據(jù)近似方程，算出空間各點頂角和方位角值，利用Excel繪出鉆孔空間位置曲線，曲線圖直觀地反映了鉆孔哪個部位發(fā)生偏斜，據(jù)此，我們可以根據(jù)鉆孔彎曲情況調(diào)整鉆進參數(shù)和采取防斜措施控制孔斜度在規(guī)范范圍內(nèi)。

5.2 增加測斜頻次

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以隨時了解掌握孔內(nèi)情況，指導(dǎo)下一步工作的進行。當鉆孔出現(xiàn)明顯偏移時，要立即停止鉆進并及時采取“糾防結(jié)合”措施。使用精度較高的KXP－2D型數(shù)字羅盤測斜儀，要求前20 m每5 m測斜一次;20 m～終孔孔段可每15或20 m一測。遇到破碎層、軟硬互層時加密測斜頻次。

5.3 鉆具結(jié)構(gòu)合理

繩索取心鉆桿的壁薄(一般為4.5 mm)，而軸向壓力比普通雙管鉆進大25%左右，因此鉆桿的剛性較差，若使用級配不合理的粗徑鉆具和鉆桿，鉆進時鉆具彎矩大，引起鉆孔彎曲。因此，合理的鉆具結(jié)構(gòu)非常必要。

6 解決取心率低的措施

6.1 繩索取心反循環(huán)鉆進［7］

與普通繩索取心相比，該鉆具結(jié)構(gòu)只是在巖心管和鉆具單動機構(gòu)之間增加一個反循環(huán)裝置，沖洗液經(jīng)過噴嘴斷面時，卷吸作用使高速液流通過混合室后形成負壓，孔底沖洗液沿著內(nèi)管與巖心之間縫隙被吸入混合室，再經(jīng)內(nèi)外巖心管流向鉆頭底部，實現(xiàn)沖洗液部分反循環(huán)。另一部分的沖洗液通過正循環(huán)將巖屑帶出地表。

反循環(huán)鉆進內(nèi)管短，巖心在沖洗液上沖力的作用下呈懸浮狀態(tài)，沖洗液對巖心的沖蝕作用減弱;內(nèi)管的局部反循環(huán)還能起到冷卻鉆頭、清潔孔底和保護巖心的作用，巖屑懸浮在內(nèi)管上部，不易卡住巖心，孔內(nèi)干凈，很少出現(xiàn)巖心堵塞;能有效預(yù)防鉆頭燒鉆事故。

根據(jù)現(xiàn)場取心效果來看，使用繩索取心反循環(huán)鉆進后，巖心采取率普遍提高40%，完整度高，特別是破碎嚴重層段的巖心采取問題得到解決。同普通繩索取心鉆進相比，繩索取心反循環(huán)鉆進幾乎不需進行巖心補撈工序，巖屑排出率高不致出現(xiàn)重復(fù)破碎，且孔內(nèi)事故少，大大提高了純鉆時間利用率，增加了經(jīng)濟效益。

6.2 控制回次進尺

防止出現(xiàn)打懶鉆、盲目進尺等不規(guī)范操作，鉆工應(yīng)隨時觀測鉆機各儀表盤顯示情況，嚴格控制進尺進度，防止巖心塞滿內(nèi)管后繼續(xù)鉆進，延長巖心受破壞時間，導(dǎo)致巖心的磨損，降低巖心質(zhì)量。

6.3 加減振裝置

在繩索取心鉆具上部連接一根和外管直徑相同的巖心管作為導(dǎo)向管，保持鉆進過程中鉆具的平穩(wěn)，減輕鉆具回轉(zhuǎn)時的振動，減弱對巖心的干擾。

7 結(jié)語

(1)繩索取心鉆進取得了一定效果，鉆孔成孔質(zhì)量高，輔助工序少，工人勞動強度低。

(2)繩索取心+液動潛孔錘的鉆探工藝具有很多優(yōu)勢，不僅提高鉆進效率和鉆頭使用壽命，而且解決了堅硬致密打滑地層鉆進速度低和破碎地層巖心堵塞的問題。

(3)鉆進過程中鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量的選取要符合一定的標準，起到提高鉆進效率、減少孔內(nèi)事故的效果。

(4)繩索取心反循環(huán)鉆具取出的巖心無顛倒、分選等現(xiàn)象，巖樣原生結(jié)構(gòu)保持較好;該鉆具短，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。

(5)水電中的大壩、二道壩、廠房帷幕灌漿工程中鉆孔的施工仍以普通小口徑金剛石鉆探技術(shù)為主，且大多數(shù)普通鉆進工藝均能滿足工程鉆探對鉆孔頂角偏差(一般為2°/100 m)的要求，但是對于某些質(zhì)量控制嚴格的鉆孔，普通金剛石鉆進效果并不好，存在鉆進效率低、鉆具振動大、鉆孔傾斜嚴重和取心率不足等問題，繩索取心鉆進技術(shù)的使用，很好地解決了普通金剛石鉆進存在的問題，值得推廣使用。

［1］李世忠.鉆探工藝學(xué)［M］北京:地質(zhì)出版社，1990.

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［3］王建華，蘇長壽，左新明.深孔液動潛孔錘鉆進技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2011，(6):59 －64.

［4］傅叢群.繩索取心液動錘在多類型礦區(qū)的應(yīng)用及其效果［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(9):24 －26.

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［6］吳光琳.定向鉆進工藝原理［M］.四川成都:成都科技大學(xué)出版社，1991.

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