青海三岔河水庫(kù)深厚覆蓋層鉆探技術(shù)研究

孫京衛(wèi)，郭東方，潘煒元，辛志相，周 陽(yáng)

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

三岔河水庫(kù)工程位于青海省格爾木市西南約120km的格爾木河干流的昆侖河下游，全長(zhǎng)468km，流域面積1.786萬(wàn)km2，為柴達(dá)木盆地第二大河流。工程位置示意圖如圖1所示。

圖1 三岔河水庫(kù)工程位置示意圖

三岔河水庫(kù)開(kāi)發(fā)任務(wù)以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、改善生態(tài)等綜合利用。主要建筑物由擋水壩、泄洪系統(tǒng)、引水和發(fā)電系統(tǒng)等組成。項(xiàng)目建議書(shū)階段初擬在青藏鐵路上游的三岔口附近河段建設(shè)三岔河水庫(kù)，壩高約40m，水庫(kù)總庫(kù)容約9700萬(wàn)m3，裝機(jī)8000kW，屬中型Ⅲ等工程。

1 概況

1.1 國(guó)內(nèi)外水利工程深厚覆蓋層鉆探概述

三岔河水庫(kù)地質(zhì)勘探鉆孔揭露壩址區(qū)砂卵石覆蓋層深度多為150m以上，尤其下壩線(xiàn)ZK5號(hào)孔覆蓋層厚度達(dá)到302.77m，且均仍未被揭穿。

目前國(guó)內(nèi)外的水利工程中覆蓋層厚度在大于30m、壩高在40m以上的水利工程有記錄的有30余座。目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的覆蓋層厚度最大的為四川冶勒水電站，其覆蓋層厚度為420～500m；國(guó)外覆蓋層厚度最大的為埃及阿斯灣水庫(kù)，其覆蓋層厚度為225m；黃河流域覆蓋層厚度最大的為小浪底水利樞紐，其覆蓋層厚度為70m余；新疆青海等西北地區(qū)內(nèi)陸河覆蓋層厚度最大的為新疆下坂地水利樞紐，其覆蓋層厚度為147.95m。三岔河水庫(kù)目前鉆達(dá)的覆蓋層厚度為302.77m，低于國(guó)內(nèi)外覆蓋層最厚的四川冶勒水電站，高于所有黃河流域及新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古等西北區(qū)域內(nèi)陸河水利工程及國(guó)外最厚的阿斯灣水庫(kù)，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外部分水利工程覆蓋層厚度統(tǒng)計(jì)表

1.2 三岔河水庫(kù)深厚覆蓋層物理力學(xué)性質(zhì)及地質(zhì)成因

河床覆蓋層礫石最大粒徑范圍為48～218mm，粒徑小于5mm的砂的百分含量范圍為25.7%～67.3%，如圖2所示，天然干密度范圍為1.61～2.13g/cm3，天然含水率范圍為0.5%～17.9%；天然休止角范圍為32°～36°。

巖芯樣樣品飽水系數(shù)為0.98，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為44.9MPa，軟化系數(shù)為0.92，塊樣凍融質(zhì)量損失率為0.01%，凍融后抗壓強(qiáng)度為38.7MPa，凍融系數(shù)為0.86，硫酸鹽及硫化物含量為0.38%。

圖2 三岔河水庫(kù)左岸1- 1砂礫料顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

工程區(qū)位于青藏高原腹地柴達(dá)木盆地與昆侖山脈東段過(guò)渡地段，地勢(shì)總體北低南高。區(qū)域上第四紀(jì)地層發(fā)育，地層出露齊全，從早更新世至全新世都有出露；成因類(lèi)型復(fù)雜：有冰磧、冰水堆積、沖積、洪積、沖洪積、湖積、湖沼堆積、殘坡積、風(fēng)積等；呈東西向帶狀分布。

2 河床深厚覆蓋層鉆探中遇到的問(wèn)題

ZK5號(hào)孔原設(shè)計(jì)孔深為70m。隨著鉆孔的不斷加深，尤其是孔深大于150m后，覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給鉆探施工帶來(lái)了很大的困難，主要存在以下問(wèn)題。

(1)砂卵石結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，遇水易坍塌掉塊，提下鉆磕絆，容易造成卡鉆埋鉆等事故，尤其在178.7m處因掉塊造成塌孔情況。

(2)覆蓋層級(jí)配差，缺少中間粒徑，存在架空結(jié)構(gòu)，鉆探中沖洗液漏失十分嚴(yán)重。鉆進(jìn)中多處出現(xiàn)不同程度的漏漿情況，尤其在279.51～281.71m處出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿的情況，在如此深度的覆蓋層出現(xiàn)這些情況發(fā)生塌孔埋鉆等孔故的風(fēng)險(xiǎn)很大。

因此河床深厚覆蓋層的鉆探工作始終困擾著工程地質(zhì)人員和鉆探技術(shù)人員。

3 鉆探施工技術(shù)與工藝

3.1 選擇金剛石鉆頭

砂卵石層相變頻繁、軟硬相間、顆粒不均、結(jié)構(gòu)松散，鉆進(jìn)工況不穩(wěn)，故在鉆頭選擇上，宜選取耐磨性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、沖擊韌性好，通用性和地層適應(yīng)性較好的金剛石鉆頭。經(jīng)過(guò)調(diào)研對(duì)比本次勘探中采用了武漢萬(wàn)邦公司平底孕鑲金剛石鉆頭，其鉆頭技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 金剛石鉆頭技術(shù)參數(shù)表

3.2 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)巖石的研磨性、可鉆性和鉆具直徑進(jìn)行選擇。一般為200～600r/min。鉆進(jìn)弱研磨性巖石或用小直徑鉆頭時(shí)，可采用較高轉(zhuǎn)速；鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性的巖石或用大直徑鉆具時(shí)，可采用較低的轉(zhuǎn)速。鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鉆進(jìn)參數(shù)表

3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)終孔孔徑和終孔孔深由下向上逐段確定各個(gè)鉆孔孔段的深度和孔徑直至地表，要留一級(jí)備用口徑，以備處理孔內(nèi)復(fù)雜情況所需。

(1)選用Φ133mm金剛石鉆具鉆進(jìn)，跟進(jìn)Φ168mm厚壁套管至約20m。

(2)Φ133mm金剛石鉆具鉆進(jìn)至約50m。

(3)換用Φ113mm金剛石鉆具鉆進(jìn)至地層不穩(wěn)定出現(xiàn)孔壁坍塌嚴(yán)重情況不易處理時(shí)，下入Φ108mm薄壁套管。

(4)用Φ94mm金剛石鉆具鉆進(jìn)，至約280m時(shí)換用Φ75mm金剛石鉆具直至終孔。

ZK5號(hào)鉆孔實(shí)際鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ZK5號(hào)孔鉆孔結(jié)構(gòu)圖

3.4 沖洗液配制研究

砂卵石地層穩(wěn)定性差的原因是結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)性差，孔壁機(jī)械強(qiáng)度低。解決措施如圖4所示。

圖4 沖洗液配制關(guān)鍵點(diǎn)

因此選用的低固相沖洗液體系組成為：膨潤(rùn)土2.5%～4%，SH植物膠2%～3%，PAM(聚丙烯酰胺)0.3%～1%，燒堿0.1%～0.2%。

低固相沖洗液材料加入順序：先向攪拌機(jī)內(nèi)加滿(mǎn)清水，加入燒堿攪拌5～10min；然后持續(xù)緩慢加入定量植物膠粉；再加入提前水解的聚丙烯酰胺水溶液；最后加入膨潤(rùn)土攪拌5～10min分散均勻。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，該低固相沖洗液比重在1.05～1.10g/cm3之間，有效平衡了地層構(gòu)造應(yīng)力和地層孔隙壓力，起到了防止掉塊、坍塌、漏漿的作用；馬氏漏斗黏度達(dá)到50′～120′之間，懸浮、攜帶能力強(qiáng)，有利于減緩漏失。

該沖洗液體系的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)植物膠和PAM能有效提高沖洗液黏度而使其固相含量保持不變，膠結(jié)作用強(qiáng)，有利于松散破碎地層穩(wěn)定。

(2)降低失水量。低固相泥漿在含土量較低時(shí)一般失水量較大，在加入植物膠后失水量得到較大幅度的較低。

(3)植物膠大大改善了沖洗液的流變性，提高了泥漿的剪切稀釋作用，潤(rùn)滑性好，減少振動(dòng)，對(duì)孔壁沖刷小，可快速在孔壁形成韌而薄的泥皮，避免了大量沖洗液進(jìn)入地層中，保證了孔壁穩(wěn)定。

(4)該體系充分利用了植物膠的紊流減阻的特性，增加泥漿的流動(dòng)性以減輕泥漿泵的壓力，水泵故障少。

(5)利用聚丙烯酰胺的絮凝特性，加速巖粉沉降，凈化泥漿。和植物膠結(jié)合，避免聚沉，形成穩(wěn)定的泥漿體系。

3.5 深厚覆蓋層裸孔防漏堵漏技術(shù)措施

在裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中防漏堵漏關(guān)系著成孔的成敗，是本次工作中研究的一個(gè)重要課題。

(1)首先從機(jī)械自動(dòng)化著手，配備輕型制漿設(shè)備，從成都引進(jìn)了專(zhuān)用SDB- 200型輕型高速攪拌機(jī)，攪漿效率大大提高，并且在鉆孔漏漿情況發(fā)生時(shí)能在較短時(shí)間內(nèi)制備出較多的沖洗液以維持孔壁穩(wěn)定，防止出現(xiàn)塌孔等更嚴(yán)重的事故。

(2)孔較深時(shí)，注意起鉆要向孔內(nèi)回灌漿液，以保持壓力平衡，控制起鉆速度以避免抽吸孔壁，防止鉆孔坍塌掉塊。遇到輕微漏漿地層在漿液中加入2.5%～4%的803堵漏劑隨鉆堵漏，該堵漏劑對(duì)于地層中的小型漏漿通道堵漏效果良好。

(3)遇到嚴(yán)重漏漿段時(shí)，應(yīng)立即提鉆，采用黏土、水泥、803堵漏劑、膨潤(rùn)土4種材料混合泡制黏土球，下鉆具擠壓搗實(shí)堵漏，穩(wěn)定孔壁和堵漏效果頗佳。黏土球材料配方：黏土∶水泥∶803堵漏劑∶膨潤(rùn)土=3∶3∶3∶1。

3.6 鉆探效果分析

3.6.1鉆探效率高

黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司對(duì)于超過(guò)100m的深厚覆蓋層鉆孔的鉆探經(jīng)歷很少，還沒(méi)有超過(guò)200m的深厚覆蓋層鉆探記錄，我們對(duì)那棱格勒河水庫(kù)鉆探綜合效果較好的鉆孔和該鉆孔的鉆探成果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4。

從表4可以看出，除掉機(jī)故等誤工時(shí)間，三岔河水庫(kù)ZK5號(hào)鉆孔鉆探效率高于那棱格勒河水庫(kù)NSZK3號(hào)孔10%以上，并且是在超過(guò)200m的深孔鉆探的相對(duì)較高難度的情況下。

表4 鉆探效果對(duì)比表

3.6.2鉆孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

選用的低固相沖洗液體系護(hù)壁效果良好，一般情況下可裸孔鉆進(jìn)，在該孔鉆進(jìn)中即實(shí)現(xiàn)了裸孔鉆進(jìn)240余m，大大簡(jiǎn)化了鉆孔結(jié)構(gòu)，套管等輔助材料消耗少，且為孔內(nèi)物探測(cè)試提供了良好的鉆孔條件。

3.6.3在水電工程勘探深厚覆蓋層深度上取得重大突破

汲取黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司在砂卵石地層方面的優(yōu)秀技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合遇到的一系列實(shí)際困難，深入研究，采用針對(duì)性的措施解決問(wèn)題，尤其在低固相泥漿沖洗液的配制和鉆孔堵漏方面，通過(guò)探索積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，最終在裸孔240余m的情況下以孔徑Φ94mm完成砂卵石鉆進(jìn)深度302.77m，創(chuàng)造了黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司有史以來(lái)水電勘探深厚覆蓋層的新紀(jì)錄。

3.7 鉆探操作技術(shù)要點(diǎn)

(1)下鉆后，應(yīng)用大泵量沖孔，然后降低泵量鉆進(jìn)，當(dāng)?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)松散、取心困難時(shí)，盡可能降低泵量，以確保巖心采取質(zhì)量。

(2)鉆具在孔內(nèi)正常進(jìn)尺時(shí)，不要隨意提動(dòng)鉆具，也不要隨意改變鉆進(jìn)參數(shù)，否則易產(chǎn)生巖芯堵塞。當(dāng)由于巖心堵塞而無(wú)法進(jìn)尺時(shí)，可以上下往復(fù)提動(dòng)5～10cm后再鉆進(jìn)。

(3)孔較深時(shí)，起鉆要向孔內(nèi)回灌漿液，以保持壓力平衡，防止鉆孔坍塌掉塊。

(4)起下鉆速度應(yīng)緩慢，以避免在孔內(nèi)產(chǎn)生較大的抽吸，引起漿液強(qiáng)烈的激蕩，導(dǎo)致孔壁的垮塌。

(5)及時(shí)排除漿液中的巖粉和砂子，定期測(cè)定泥漿性能，避免因泥漿性能下降造成孔壁坍塌等。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著水利水電工程開(kāi)發(fā)與建設(shè)的不斷深入，國(guó)內(nèi)水利水電工程地質(zhì)勘探將會(huì)遇到更多的壩基深厚覆蓋層情況，勘探技術(shù)要求越來(lái)越高。

針對(duì)本項(xiàng)目遇到的深厚覆蓋層的復(fù)雜情況，為了滿(mǎn)足勘察要求，合理選擇金剛石鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，科學(xué)配制低固相泥漿沖洗液，經(jīng)過(guò)對(duì)鉆探工藝的研究、優(yōu)化、改進(jìn)，取得了很好的鉆探效果；深厚砂卵石地層遇水松散，鉆進(jìn)時(shí)極易塌孔漏漿，采取的最有效的防漏堵漏的措施是合理?yè)郊恿?03隨鉆堵漏劑，嚴(yán)重漏漿時(shí)黏土球擠壓搗實(shí)，堵漏效果良好；最終順利完成了超深勘探孔的施工，但施工前未預(yù)見(jiàn)鉆孔如此之深，鉆孔結(jié)構(gòu)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。