阿海水電站碾壓混凝土長心樣取心技術(shù)

曹 琳

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安710032)

對混凝土進(jìn)行鉆孔取心是對碾壓混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢查的方法之一。大直徑完整長心樣的取得對碾壓混凝土密實(shí)程度、層面膠結(jié)等質(zhì)量方面的鑒定提供了直觀有力的證據(jù)。能否取出長心的關(guān)鍵因素主要有2個(gè)方面，一是取心部位碾壓混凝土的質(zhì)量，二是取決于取心技術(shù)水平。

本文結(jié)合阿海水電站19.28 m的長心樣的鉆取施工實(shí)踐，對取長心技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析。

1 項(xiàng)目背景

阿海水電站位于云南省麗江市玉龍縣(右岸)與寧蒗縣(左岸)交界的金沙江中游河段，為金沙江中游河段規(guī)劃的第四個(gè)梯級。

阿海水電站工程屬大Ⅰ型一等工程，主要永久性水工建筑物為一級建筑物。工程以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合利用的水利水電樞紐工程，為碾壓混凝土重力壩，水庫庫容為8.79×108m3，電站裝機(jī)容量2000 MW(5×400 MW)。

在電站大壩右岸非溢流17號壩段，高程1480～1460 m位置，成功取出了直徑197 mm、長度為19.28 m連續(xù)完整的碾壓混凝土心樣，打破了目前國內(nèi)碾壓混凝土完整心樣的最長記錄。取出的心樣如圖1所示。

圖1 取出的心樣(長度19.28 m，直徑197 mm)

2 混凝土長心樣取心技術(shù)

2.1 鉆孔設(shè)備選型

要確保鉆進(jìn)時(shí)心樣不斷并能取得長心樣，既要考慮設(shè)備的穩(wěn)定性又要綜合鉆孔結(jié)構(gòu)要求，以及作業(yè)空間的情況。一般要選用穩(wěn)定性好、扭矩大、回轉(zhuǎn)精度高、適合于150 mm以上的大口徑取心鉆進(jìn)的回轉(zhuǎn)式地質(zhì)鉆機(jī)。

阿海電站取心中采用的鉆孔設(shè)備是XY－2B型鉆機(jī)，其基本參數(shù)為:在采用73 mm鉆桿時(shí)鉆孔深度為100 m，立軸最大扭矩達(dá)2760 N·m，立軸最大起拔力60 kN，外形尺寸(長×寬×高)2150 mm×900 mm×1690 mm，鉆機(jī)質(zhì)量(不含動(dòng)力機(jī))950 kg。鉆機(jī)采用73 mm內(nèi)六方的主動(dòng)鉆桿，主動(dòng)鉆桿由上下油壓卡盤固定，垂直度高、穩(wěn)定性好。

2.2 鉆機(jī)的固定及孔斜的控制

鉆孔的垂直度對取長心的成功率有較大影響。因阿海電站混凝土長心取心部位是從鉆孔孔口開始至某一深度，且深度較小，目前國內(nèi)最深的也就在20 m左右;通過保證鉆機(jī)的固定牢固和主動(dòng)鉆桿的垂直平穩(wěn)，以及巖心管的平直度及連接同心度可以有效地保證鉆孔的垂直度。取長心采用加長鉆具的方法，鉆進(jìn)過程中不提出巖心管，無法進(jìn)行孔內(nèi)的鉆孔偏斜測量。實(shí)際作業(yè)中采取的是加長孔外鉆具長度，通過測量鉆具的垂直度來測量鉆孔的偏斜。

鉆機(jī)就位開孔前應(yīng)采取可靠的措施確保鉆機(jī)的固定，一般采取預(yù)埋螺桿或安裝膨脹螺栓的辦法將鉆機(jī)固定在混凝土面或施工平臺(tái)上，安裝鉆機(jī)時(shí)用經(jīng)緯儀或使用吊線錘對鉆機(jī)立軸和主動(dòng)鉆桿進(jìn)行垂直校正，通過增減鉆機(jī)底部墊片高度調(diào)節(jié)鉆機(jī)至水平狀態(tài)。

鉆機(jī)主動(dòng)鉆桿采用廠家配套的六方鉆桿，垂直度高，穩(wěn)定性好。

2.3 鉆探材料的選擇

取長心樣對巖心管、鉆桿、鉆頭等鉆探材料有特殊的要求。

巖心管彎曲度＜0.3%，螺紋連接后應(yīng)保證同軸度＜0.05 mm，端面與軸線的垂直度＜0.10 mm。鉆具連接采用內(nèi)外箍的連接型式。鉆桿選用89 mm及以上的，能承受較大的扭矩。鉆具長度加工成梯隊(duì)級，最長的視鉆孔深度、作業(yè)空間大小及起吊塔架的高度確定，阿海電站采用的最長鉆具為4 m，直徑219 mm，所有巖心管和接箍的連接絲扣均在專業(yè)工廠加工，精度滿足要求。

開始取長心樣時(shí)，根據(jù)所取部位碾壓混凝土的特性，特別是骨料的巖性、硬度等以及可能切割的鋼筋與冷卻水管預(yù)估數(shù)量，確定金剛石鉆頭的有關(guān)配方參數(shù)。一般在碾壓混凝土中鉆孔要求鉆頭的金剛石目數(shù)為40～45目，胎體硬度為HRC25～28為宜。阿海電站碾壓混凝土采用人工骨料，骨料巖性為砂巖，金剛石鉆頭及擴(kuò)孔器的參數(shù)為金剛石目數(shù)為45目，胎體硬度為HRC25。

2.4 鉆進(jìn)參數(shù)的制定與調(diào)整

理論計(jì)算和實(shí)踐證明，在混凝土取心施工過程中，采用下列合理的鉆進(jìn)參數(shù)，是取得長心樣并獲得最佳鉆進(jìn)效率的重要保證。開孔時(shí)應(yīng)采用較低的轉(zhuǎn)速，一般為40～60 r/min，鉆壓采用低壓，確保開孔的垂直度，為防止鉆頭打滑跑偏，可將開孔位置表面混凝土進(jìn)行鑿毛處理;正常鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)速度要均勻，當(dāng)進(jìn)尺較快時(shí)應(yīng)適當(dāng)減壓或采用負(fù)壓，控制進(jìn)尺速度;鉆進(jìn)時(shí)效應(yīng)控制在0.3～0.5 m/h，甚至更低;轉(zhuǎn)速控制在60～180 r/min;施工中配備足夠的沖洗水量，保證鉆頭充分冷卻，沖洗水量控制在50～100 L/min;孔底鉆進(jìn)壓力根據(jù)混凝土的實(shí)際的抗壓強(qiáng)度，可控制在5～10 MPa，隨著孔深的增加，鉆具與鉆桿自身重力將增大，應(yīng)適時(shí)使鉆機(jī)反向加壓，以便調(diào)節(jié)孔底鉆進(jìn)壓力。

采用短巖心管開孔鉆至一定孔深后，可開始取長心樣。長心樣鉆取時(shí)應(yīng)盡量采用長巖心管鉆進(jìn)，減小巖心管接頭的使用數(shù)量，以便減少對心樣的擾動(dòng)?？诇\時(shí)可適時(shí)起鉆換長鉆具，在孔深到一定深度后就不要再頻繁提鉆換長鉆具了，這樣可減少起下鉆對心樣的撓動(dòng)或其它誤操作而折斷心樣。若混凝土強(qiáng)度較高，巖心管的連接同軸度能滿足要求，也可采用空心直接頭將短巖心管連接的方法進(jìn)行鉆進(jìn)。

如有必要可選用潤滑沖洗液鉆進(jìn)，以提高沖洗液攜帶巖粉的能力，避免鉆孔過程中產(chǎn)生的巖粉及碎渣沉積對心樣產(chǎn)生擾動(dòng)，還能使心樣完整光潔。一般潤滑劑采用普通洗衣粉就可以，一些高效潤滑劑除潤滑性能好、凈洗率強(qiáng)外，還有較好的抗鈣鎂和抗乳能力，能在心樣表面形成保護(hù)膜，可進(jìn)一步提高在混凝土缺陷部位取得原狀心樣的成功率。應(yīng)使用符合環(huán)保要求的產(chǎn)品，避免對環(huán)境造成污染。

鉆進(jìn)過程中應(yīng)特別注意的幾個(gè)問題:

(1)正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)壓力與轉(zhuǎn)速的調(diào)整應(yīng)做到協(xié)調(diào)一致，使鉆進(jìn)進(jìn)尺均勻，如果轉(zhuǎn)速上升了，鉆進(jìn)壓力過小，則進(jìn)尺很慢，容易使該處心樣與孔壁受到磨損，使心樣表面不平滑，出現(xiàn)縮徑，同時(shí)易造成鉆孔偏斜，對心樣產(chǎn)生側(cè)壓力，造成心樣斷裂。

(2)鉆進(jìn)過程中遇到鋼筋或冷卻水管等結(jié)構(gòu)物體時(shí)，應(yīng)注意減小孔底鉆進(jìn)壓力，適當(dāng)加大水量，降低轉(zhuǎn)速，直至切穿，同時(shí)嚴(yán)密注視回水量大小，以免因鉆破冷卻水管后突然失水，造成卡鉆。施鉆前最好對鉆孔部位可能鉆到的埋件的深度了解清楚，以便在鉆到相應(yīng)深度時(shí)采取一定的措施加以控制。當(dāng)然如能準(zhǔn)確避開這些埋件將對取心是非常有利的。

(3)在長心樣鉆進(jìn)前應(yīng)選好鉆頭與擴(kuò)孔器，一旦開始鉆進(jìn)，中途不得改用其它鉆頭與擴(kuò)孔器，以免因前后所使用的新舊鉆頭內(nèi)外徑不一致，造成心樣斷裂。確需更換的，要換成磨損程度更大的舊鉆頭。

(4)操作過程中操作手對孔內(nèi)心樣完整程度的判斷很重要，如判斷所鉆心樣已斷裂時(shí)，就可提前中斷鉆進(jìn)，避免造成不必要的浪費(fèi)。

(5)鉆進(jìn)過程中要密切注意冷卻水的顏色變化，及所攜帶出的巖粉顆粒的粗細(xì)變化，及通過這些信息分析原因，調(diào)整工藝參數(shù)。

2.5 心樣的拔斷與提取

長心樣在鉆進(jìn)完畢提取心樣時(shí)要求有吊車或門塔機(jī)配合，擺放位置要盡量選在起吊設(shè)備的作業(yè)范圍內(nèi)，最好能一次到位，避免多次倒運(yùn)。

當(dāng)鉆取的心樣長度滿足要求后及時(shí)卡取心樣?？ㄈr心前必須加大清水供應(yīng)量以便將孔內(nèi)巖粉沖洗出來，保證孔內(nèi)清潔，避免在下鉆取心時(shí)因心樣周圍巖粉過多而使提斷器中途受阻，造成心樣斷裂。

采用專用巖心提斷器提斷巖心。卸掉鉆具上的鉆頭和擴(kuò)孔器，安裝專用巖心提斷器，下提斷器時(shí)要一次下到底，嚴(yán)禁中途向上提動(dòng)巖心管，以免將心樣卡斷。

確認(rèn)提斷器已到達(dá)孔底且卡住心樣后，向上稍微提動(dòng)巖心管，則卡契相對下滑可將心樣卡住。如果心樣直徑過小，卡契卡不住，可加入少量石英砂至卡契內(nèi)表面2 mm的槽口內(nèi)，則立即可將心樣卡住。

在孔口利用夾板將巖心管夾住，采用2個(gè)5 t(50 kN)的千斤頂同時(shí)均勻加壓頂住夾板，將心樣從提斷器卡契底部強(qiáng)行拉斷。心樣拉斷后可向巖心管與混凝土心樣間的縫隙內(nèi)灌注粒徑＜0.5 mm的均勻粉砂或配置好的膨潤土泥漿，以便在心樣吊運(yùn)過程中起到保護(hù)心樣的作用。

根據(jù)所鉆取心樣的長度，制做吊裝拖架，拖架要有一定的剛度，其撓度＜0.1%，否則在起吊過程中發(fā)生彎曲折斷心樣。拖架一般采用三角桁架結(jié)構(gòu)，用槽鋼制做的拖槽固定在一個(gè)角邊上，視所取心樣的直徑，選用不同規(guī)格的槽鋼。拖架應(yīng)事先豎直固定在起吊設(shè)備作業(yè)范圍內(nèi)，心樣從孔內(nèi)吊出后先豎直狀裝入拖槽并將其與拖架綁扎固定牢靠。

將拖架由垂直狀態(tài)變成水平狀態(tài)時(shí)，要采用2臺(tái)起吊設(shè)備配合操作，一臺(tái)將拖架吊起，一臺(tái)將拖架翻轉(zhuǎn)成水平狀。吊點(diǎn)應(yīng)布置合理均勻，最大限度地減小拖架的彎曲，兩臺(tái)設(shè)備將拖架抬吊至存放點(diǎn)。

阿海電站采用鋼制三角形桁架拖架，垂直起吊采用纜機(jī)，25 t(250 kN)汽車吊合作進(jìn)行拖架從垂直向水平狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。心樣不運(yùn)輸，就近擺放在右壩肩上壩公路旁。纜機(jī)起吊固定在拖架的長心樣如圖2。

2.6 出心擺放和后期養(yǎng)護(hù)

心樣吊運(yùn)至存放地點(diǎn)后，將提斷器取下，一邊用水沖洗巖心管內(nèi)粉砂或膨潤土漿，一邊采用專用心樣頂推器用高壓水將心樣頂出至存放平臺(tái)或槽鋼內(nèi)存放。為了長期保存，防止心樣發(fā)生龜裂，可在心樣表面涂刷一層透明保護(hù)膜或采用蓄水的方式養(yǎng)護(hù)。

圖2 纜機(jī)起吊固定在拖架的長心樣

心樣的儲(chǔ)存和擺放方式，一般有2種:水平擺放和垂直擺放。

(1)水平方式:工程上多數(shù)采用這種方式，就是放置在平臺(tái)上，平臺(tái)可以是砌筑結(jié)構(gòu)的，也可以是由槽鋼、半圓管制作的托架，這種存放方式便于后期對心樣的觀察分析，便于采用蓄水的方式進(jìn)行后期養(yǎng)護(hù)，所需設(shè)施簡單、投入較小。最大的缺點(diǎn)是出心困難，特別是在心樣由垂直狀態(tài)變成水平狀態(tài)的過程中，稍有疏忽，便會(huì)折斷心樣，前功盡棄，風(fēng)險(xiǎn)較大。

(2)垂直方式:有些工程采用垂直擺放的方式，這種方式投入較大，需搭設(shè)專用靠架，如需滿足參觀的要求，則對塔架的要求更高。固定心樣需多個(gè)固定支架，對觀察心樣的連續(xù)完整性不利，養(yǎng)護(hù)也較為困難。優(yōu)點(diǎn)是減少了心樣的狀態(tài)變換工序，減小了巖心折斷的風(fēng)險(xiǎn)，且心樣也比較容易從巖心管中取出。

阿海電站碾壓混凝土心樣采取的是水平擺放方式，采用砌筑水槽蓄水養(yǎng)護(hù)。

3 結(jié)語

鉆取混凝土長心樣除了混凝土本身質(zhì)量要好外，取心操作技術(shù)是取得長心的重要保證。取樣前要合理規(guī)劃，根據(jù)取心部位混凝土特性、場地條件、起吊運(yùn)輸手段等制定詳細(xì)的方案。作業(yè)中根據(jù)具體情況適時(shí)掌握巖心的提斷時(shí)機(jī)，切不可貪圖取長心而使前期工作前功盡棄。

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