馬鹿塘水電站帷幕灌漿工程造孔技術方案的優(yōu)化選擇

廖 強

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明 650041）

馬鹿塘水電站帷幕灌漿工程造孔技術方案的優(yōu)化選擇

廖 強

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明 650041）

通過現場試驗，對造孔技術方案進行優(yōu)化選擇，解決了馬鹿塘水電站大壩防滲帷幕灌漿堅硬地層造孔打滑的問題，提高了鉆進效率，降低了工程費用。同時，探討了沖擊回轉鉆進技術應用于深孔帷幕灌漿造孔的可行性，為類似工程提供借鑒。

回轉鉆進；沖擊回轉鉆進；鉆進效率；鉆頭壽命；正交試驗

馬鹿塘水電站混凝土面板堆石壩壩頂高程634.00m，最大壩高154m，壩頂長度約493m。壩體防滲系統(tǒng)由趾板、混凝土面板、防滲帷幕灌漿、上游壩前拋填強風化巖料保護及其輔助防滲體組成。防滲帷幕灌漿鉆孔工程量約27000m，原施工方案采用回轉鉆進技術造孔，鉆進效率低，鉆頭壽命短，既影響施工進度，又不利于節(jié)約施工成本。因此，進行了現場試驗比較，以尋求適合本工程的造孔技術方案。

1 地層特性

壩基巖性主要為寒武系眼球狀花崗質黑云混合片麻巖（aGn）夾少量條痕狀花崗混合片麻巖 （pGn）及變質白崗巖 （γv）。巖體多為塊狀、次塊狀結構，局部擠壓帶、節(jié)理帶為鑲嵌碎裂結構。節(jié)理較發(fā)育，以陡傾節(jié)理為主，多微張—閉合，其面平直粗糙，局部見少量銹蝕及少量高嶺土化長石。巖石堅硬，研磨性中等，可鉆性級別為7～10級。

2 造孔技術方案優(yōu)選思路

在可鉆性7級以上的基巖中進行帷幕灌漿造孔，目前主要采用金剛石回轉鉆進和潛孔錘沖擊回轉鉆進兩種方法。根據該工程的地層特點和前階段施工情況分析，在資源配置有限的情況下，要提高鉆進效率，可以從兩方面考慮：一是對回轉鉆進使用的金剛石鉆頭進行優(yōu)化選擇，對鉆頭的金剛石粒度、金剛石含量、胎體硬度等參數進行地層適應性試驗，尋求適合該工程的鉆頭結構參數；二是在加強鉆孔沖洗、防斜糾斜等措施的基礎上進行潛孔錘沖擊回轉鉆進試驗，論證沖擊回轉鉆進技術應用于深孔硬巖帷幕灌漿的可行性，同時優(yōu)選出安全、經濟、適用的潛孔錘鉆頭。

3 現場試驗

在進行鉆頭適應性試驗時，為縮短試驗周期，降低試驗費用，同時又能獲得較好的試驗成果，采用了多指標正交試驗法安排試驗。

3.1 金剛石鉆頭地層適應性試驗

3.1.1 因素和水平的選擇

試驗將孕鑲金剛石鉆頭內外徑、金剛石品級、水口數量等作為固定因素，以金剛石粒度、金剛石濃度、胎體硬度、唇面形狀為主要因素，各選3個水平，見表1。

表1 金剛石鉆頭地層適應性試驗因素及水平

3.1.2 正交表選擇及試驗安排

這是四因子三水平的多指標試驗，如果采用常規(guī)的試驗方法，需要進行81次試驗。用正交試驗法安排試驗，選用正交表L9（34），只需做9次試驗，具體安排見表2。

表2 金剛石鉆頭地層適應性試驗安排

3.1.3 試驗結果分析

按照表2的試驗方案安排試驗，不同結構參數組合的孕鑲金剛石鉆頭各鉆進一個灌漿孔，進尺各60m。試驗主要測試影響金剛石鉆進技術經濟效益的平均鉆速v和單位進尺鉆頭消耗量W，試驗記錄各種原始數據540個。對試驗結果采用綜合評分法進行分析，分析中取平均鉆速 （v）權重系數為1.2，最高得分為120分，取單位進尺鉆頭消耗量的倒數 （1／W）權重系數為1.0，最高得分為100分，將兩者得分之和作為綜合評價指標，考核結果見表3。

許多警察機構將在情報主導警務初級階段遇到組織變革和文化轉型問題，這些問題很難通過定量數據體現。［10］公安信息化向著情報主導警務的方向轉向是一個涉及警務方方面面的系統(tǒng)工程，需要我們從理念、體制、機制、任務協(xié)作、分析能力和平臺建設等多個方面進行戰(zhàn)略轉型。

表3 金剛石鉆頭地層適應性試驗指標考核結果

前三名指標對應的鉆頭結構參數：第一名胎體硬度為HRC30，金剛石粒度為60目，金剛石濃度為80%，唇面形狀為平底形；第二名胎體硬度為HRC25，金剛石粒度為45目，金剛石濃度為90%，唇面形狀為平底形；第三名胎體硬度為HRC30，金剛石粒度為45目，金剛石濃度為100%，唇面形狀為梯形。試驗表明：采用胎體硬度高的金剛石鉆頭鉆進時容易打滑，采用胎體硬度低的金剛石鉆頭鉆進時又磨損過快。另外，唇面形狀為梯形和鋸齒形的鉆頭壽命也相對較低。綜合考慮后擬選用胎體硬度為HRC30，金剛石粒度為60目，金剛石濃度為80%，唇面形狀為平底形的孕鑲金剛石鉆頭。

3.2 潛孔錘鉆頭地層適應性試驗

3.2.1 因素和水平的選擇

試驗將潛孔錘柱齒鉆頭的外徑、翼數等作為固定因素，以鉆頭體材料、柱齒形狀、頭部外形為主要因素，各選2個水平，見表4。

表4 潛孔錘鉆頭地層適應性試驗因素水平

3.2.2 正交表選擇及試驗安排

這是三因子兩水平的多指標試驗，用正交試驗法安排試驗，選用正交表L4（23），共需做4組試驗，具體安排見表5。

表5 潛孔錘鉆頭地層適應性試驗安排

3.2.3 試驗結果分析

按照表5的試驗方案安排試驗，不同結構參數組合的潛孔錘鉆頭各鉆進2個鉆孔，進尺各120m。試驗也要考核影響鉆頭鉆進技術經濟效益的平均鉆速v和單位進尺鉆頭消耗量W，另外要測試孔底偏差L。試驗記錄各種原始數據240個，整理后的試驗成果見表6。

表6 潛孔錘鉆頭地層適應性試驗成果

對試驗結果采用綜合平衡法進行分析，每個因素相同水平的各個指標得分之和及其均值、極差計算結果見表7。從鉆頭體材料對各指標的影響來看，鉆頭體材料為20Ni4Mo時，平均鉆速和單位進尺鉆頭消耗量的倒數 （反映鉆頭壽命）兩個指標達到最佳；就孔底偏差來說，鉆頭體材料為34CrNiMo時最佳。經過權衡，取20Ni4Mo，此時孔底偏差為1.19m，在允許范圍內，且比最低值僅高0.36m，但每個鉆頭平均可多鉆2.3m。從柱齒形狀對各指標的影響來看，就平均鉆速而言，取錐球型齒最佳；對鉆頭壽命來講，取半球型齒最好；對孔底偏差來說，取半球型齒最好。經過權衡，取半球型齒，雖然平均鉆速略有降低，但鉆頭壽命卻大大提高，而且更容易控制孔斜。從鉆頭頭部外形對各指標的影響來看，就平均鉆速和鉆頭壽命而言，取中間凸出型最佳；對孔底偏差來說，取中間凹陷型最好。經過權衡，取中間凹陷型，由于沖擊回轉鉆進孔斜較難控制，中間凹陷型鉆頭造孔時產生凸出的巖核起到定心的作用，更能確保鉆孔偏差符合要求。因此，優(yōu)化后的潛孔錘鉆頭結構參數取鉆頭體材料為20Ni4Mo、柱齒形狀為半球型齒、頭部外形為中間凹陷型。

表7 潛孔錘鉆頭地層適應性試驗正交分析

為對比兩種造孔方法在灌漿效果上的區(qū)別，我們對試驗鉆孔的灌漿效果進行統(tǒng)計分析，見表8。從灌漿效果來看，采用潛孔錘沖擊回轉鉆進技術造孔與金剛石回轉鉆進技術造孔并無質的差別。分析認為沖擊回轉鉆進產生的巖粉較粗，不易進入裂隙，而且大多都可在鉆進中被排出地面，這種由高壓風或與地下水的混合物自孔底以高流速向上排出時，在孔內形成負壓，不僅巖粉不會在孔壁積存堵塞裂隙，而且還能將裂隙內的一部分充填物帶出，更有利于提高灌漿效果。

表8 灌漿效果統(tǒng)計

4 方案選擇

通過試驗比選，最后確定該工程的造孔技術方案如下：

a.帷幕灌漿先導孔和灌后質量檢查孔由于要采取高質量的巖芯，故采用金剛石回轉鉆進技術造孔，并選用胎體硬度為HRC30、金剛石粒度為60目、金剛石濃度為80%、唇面形狀為平底形的孕鑲金剛石鉆頭。

b.其他各次序帷幕灌漿均采用潛孔錘沖擊回轉鉆進技術造孔，潛孔錘鉆頭選用鉆頭體材料為20Ni4Mo、柱齒形狀為半球型齒、頭部外形為中間凹陷型的柱齒鉆頭。

5 實施效果

將優(yōu)化后的造孔技術應用于剩余20000余m帷幕灌漿造孔施工中，收到了良好效果：

a.平均鉆速提高了3倍左右，大大提高了工效，滿足了施工進度要求。

b.造孔費用降低了約23%，計節(jié)約費用40～45萬元，取得了較好的經濟效益。

6 結 語

a.不同結構參數的金剛石鉆頭在同種巖石中破巖效果相差懸殊，優(yōu)選好金剛石鉆頭，是實現優(yōu)化金剛石回轉鉆進的基礎。

b.沖擊回轉鉆進技術在加強鉆孔沖洗和防斜措施的基礎上，應用于深孔硬巖帷幕灌漿施工，在提高鉆進速度的同時，也能保證灌漿質量，對提高工程的經濟效益有重要意義，類似工程可以借鑒使用。

c.正交試驗法能在試驗次數盡可能少的情況下，取得較好的試驗效果?！?/p>

［1］ 溫姝靜.試談如何提高金剛石鉆進的效率［J］.西部探礦工程，2011（4）：69-70.

［2］ 鄢泰寧，段隆臣，等.提高金剛石鉆頭在深孔硬巖中壽命的途徑［J］.金剛石與磨料磨具工程，2010（5）：32-37.

［3］ 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學［M］.北京：中國地質大學出版社，2001.

［4］ 菅志軍，張玉霖，王茂森，等.沖擊旋轉鉆進技術新發(fā)展［J］.地質與勘探，2003，39（3）：79-83.

［5］ 劉家榮，王建華，王文斌，等.氣動潛孔錘鉆進技術若干問題［J］.探礦工程，2010，37（5）：40-44.

［6］ DL／T 5148—2012水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2012.

Optim ized selection of curtain grouting engineering pore-form ing technology scheme in M alutang Hydropower Station

LIAO Qiang
（Powerchina Kunming Egnineering Corporation Limited，Kunming 650041，China）

Pore-forming technical schemes are optimized and selected through field test.The problem of curtain grouting slippage during pore-forming on hard formation in Malutang Hydropower Station are solved.Drilling efficiency is improved，and engineering cost is reduced.Meanwhile，feasibility of applying impact rotary drilling technique to deep hole curtain grouting pore-forming is discussed，thereby providing reference for similar projects.

rotary drilling；impact rotary drilling；drilling efficiency；bit service life；orthogonal test

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2015.08.018

TV543

B

1673-8241（2015）08-0058-04