復(fù)雜地質(zhì)條件壩基帷幕灌漿鉆孔成孔質(zhì)量控制

尹 安 紅， 王 文 學(xué)

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

JC水電站是雅魯藏布江中游河段規(guī)劃的第5級(jí)電站電站，下游為冷達(dá)水電站。電站位于西部高原某縣境內(nèi)，距下游縣城約5 km，距省會(huì)城市直線距離約140 km，有省道從工程區(qū)通過。開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站采用河床式開發(fā)方式，主河床布置5個(gè)溢流表孔。電站總裝機(jī)容量360 MW，水庫正常蓄水位3 246 m。

壩址區(qū)所在河段兩岸山體雄厚，河谷深切但開闊，為“U”型寬谷， 壩基巖性為變質(zhì)砂巖、碳質(zhì)板巖和少量硅質(zhì)砂巖，碳質(zhì)板巖具有板狀結(jié)構(gòu)、是一種變質(zhì)巖，原巖為泥質(zhì)、粉質(zhì)或中性凝灰?guī)r，沿板理方向可以剝成薄片。

碳質(zhì)板巖是低級(jí)變質(zhì)巖，因其原巖主要是含碳質(zhì)泥巖或頁巖，變質(zhì)程度又低，所以，巖石力學(xué)抗壓性能差，性脆。巖石本身容易破碎，板理面容易含水而滑塌，含碳質(zhì)增加了其潤(rùn)滑性，水對(duì)碳質(zhì)板巖的強(qiáng)度影響很大，鉆孔沖洗液的壓力，流速都會(huì)導(dǎo)致泥化，造成鉆孔發(fā)生偏差?？仔逼钸^大，需及時(shí)糾正或采取補(bǔ)救措施，否則，無法保證帷幕灌漿的質(zhì)量。

2 影響成孔質(zhì)量的主要因素[1]

在帷幕灌漿鉆孔施工時(shí)，由于各方面的原因，鉆孔方向與設(shè)計(jì)要求會(huì)發(fā)生偏差。如果偏差太大，會(huì)對(duì)鉆進(jìn)質(zhì)量、效率等產(chǎn)生影響，也會(huì)影響帷幕灌漿的質(zhì)量和防滲效果。成孔質(zhì)量的影響因素主要包括三個(gè)方面：第一是地質(zhì)條件及巖石巖性的影響；其次是鉆孔施工工藝、參數(shù)及操作手水平的影響；第三是鉆孔設(shè)備的性能和設(shè)備選擇等。在鉆機(jī)鉆孔過程中，如果不能控制協(xié)調(diào)好各種因素，很容易導(dǎo)致鉆孔彎曲，影響鉆孔質(zhì)量。

2.1 地質(zhì)條件及巖石巖性

由于巖石的各向異性，使鉆桿在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)受力不平衡的情況，導(dǎo)致鉆桿發(fā)生一定角度的偏斜甚至彎曲，造成鉆孔偏斜，影響鉆進(jìn)效率。

由于在不同的層理結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度性質(zhì)，在鉆進(jìn)這種巖石層時(shí)會(huì)增大鉆進(jìn)工作量。泥巖、頁巖地層的巖石強(qiáng)度、硬度、脆性及水溶性等性質(zhì)復(fù)雜多變，層理、片理發(fā)育，地層產(chǎn)狀變化極大，極易影響鉆孔施工。例如，當(dāng)巖石的層理方向與垂直于層理方向的硬度比較大時(shí)，很容易導(dǎo)致鉆孔發(fā)生大的彎曲。

2.2 鉆孔工藝及參數(shù)、操作手水平影響

不同的地質(zhì)地層和巖石巖性，具有不同的巖石特點(diǎn)，因此，需要選擇合理的施工工藝和鉆孔參數(shù)，減小鉆孔孔壁和鉆具之間的間隙，減小孔內(nèi)鉆桿彎曲，減小鉆具的傾斜。當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)壓力過大，會(huì)造成鉆桿彎曲，繼而導(dǎo)致鉆孔發(fā)生彎曲；當(dāng)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速過高，造成鉆桿回轉(zhuǎn)離心力增大產(chǎn)生橫向振動(dòng)，繼而導(dǎo)致鉆孔孔徑、孔壁間隙增大；當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中遇到泥巖、頁巖等軟巖，使用的沖洗液量大，會(huì)將鉆孔孔壁沖壞，致使鉆機(jī)卡鉆、埋鉆。同時(shí)，鉆進(jìn)過程中也應(yīng)積極采取有效的預(yù)防鉆孔偏斜措施和相應(yīng)的糾偏措施加以控制。而高水平操作手在鉆進(jìn)過程中能及時(shí)準(zhǔn)確地做出孔內(nèi)鉆進(jìn)情況，會(huì)根據(jù)鉆機(jī)數(shù)據(jù)的變化及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)壓力及速度等，避免鉆孔偏斜逐漸增加，從而保證成孔的質(zhì)量。

2.3 鉆機(jī)選擇及設(shè)備性能

帷幕灌漿中，鉆孔設(shè)備需根據(jù)灌漿孔設(shè)計(jì)深度、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆孔角度、巖層條件、地質(zhì)情況、及鉆進(jìn)方法選擇。鉆機(jī)型號(hào)的選擇、鉆機(jī)設(shè)備的功率、鉆孔精度、鉆進(jìn)速度和設(shè)備故障率也是影響鉆孔成孔質(zhì)量的直接因素。

3 鉆孔試驗(yàn)

鉆孔的質(zhì)量是保證帷幕灌漿質(zhì)量的基礎(chǔ)，要確?？咨睢⒖紫?、孔位符合設(shè)計(jì)要求，力求孔徑上下一致，孔壁平順，鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖粉細(xì)屑較少[2]。

3.1 孔斜設(shè)計(jì)控制指標(biāo)

根據(jù)《帷幕灌漿施工技術(shù)規(guī)范》要求，帷幕灌漿孔進(jìn)行孔斜測(cè)量。對(duì)于孔深小于60 m的帷幕灌漿孔，當(dāng)孔向垂直或頂角小于5°時(shí)，孔底偏差不得大于表1的規(guī)定。

表1 帷幕灌漿孔孔底允許偏差表[3]

孔深大于60 m時(shí)，孔底最大允許偏差值可根據(jù)工程實(shí)際情況確定，但不宜大于孔距值。發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜值超過規(guī)定時(shí)，應(yīng)及時(shí)糾正或采取補(bǔ)救措施。

3.2 鉆孔試驗(yàn)出現(xiàn)的問題

進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)時(shí)，由于沒有對(duì)工程地質(zhì)資料和水文地質(zhì)資料進(jìn)行仔細(xì)分析、研究，對(duì)地層、巖性沒有充分了解，在進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)時(shí)，管理和施工工藝方面都出現(xiàn)了一系列問題，主要表現(xiàn)為以下幾方面：

(1) 鉆機(jī)安裝就位后，用水平儀進(jìn)行校正，但沒有對(duì)鉆機(jī)采取有效加固措施就進(jìn)行鉆進(jìn)，導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)出現(xiàn)小幅度擺動(dòng)，造成鉆孔孔斜出現(xiàn)偏差，無法控制在技術(shù)要求范圍之內(nèi)。

(2) 鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)常規(guī)金剛石鉆孔工藝要求，采取高轉(zhuǎn)速、低鉆壓進(jìn)行鉆孔施工。當(dāng)鉆機(jī)平穩(wěn)、孔內(nèi)鉆具無大幅度擺動(dòng)時(shí)，盡量使用最高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。但由于壩基巖性復(fù)雜，在鉆進(jìn)過程中，突然遇到較軟巖石后，鉆具、鉆桿會(huì)在孔內(nèi)擺動(dòng)并碰撞孔壁，會(huì)造成孔壁發(fā)生坍塌，孔徑變大、孔內(nèi)沉渣淤積過大[4]。

(3)鉆孔時(shí)鉆壓過大造成的孔斜偏大。鉆孔時(shí)，依舊采用常規(guī)金剛石鉆孔鉆壓0.8 ～1 MPa,沒有充分考慮碳質(zhì)板巖與硅質(zhì)巖交替出現(xiàn)的情況，由于巖層軟硬不均勻、反復(fù)變化、交替出現(xiàn)，因?yàn)槭┕^(qū)巖層變化，巖層硬度也在不斷變化，在鉆孔時(shí)鉆頭容易往硬度低的方向偏斜，同時(shí)鉆進(jìn)過程中沒能及時(shí)準(zhǔn)確地根據(jù)孔內(nèi)鉆進(jìn)情況及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)壓力導(dǎo)致鉆孔偏斜。

(4)由于沒有充分考慮到碳質(zhì)板巖的特性，孔冷卻時(shí)沖洗液壓力、流量過大，反復(fù)對(duì)孔壁沖蝕造成孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重并出現(xiàn)大粒徑沉渣。

(5)壩基帷幕灌漿孔最深60 m左右，鉆進(jìn)2～3 m，每一個(gè)回次鉆進(jìn)長(zhǎng)度較大，使孔內(nèi)沉渣多。

(6)施工空間限制通常導(dǎo)致所用粗徑鉆具不會(huì)太長(zhǎng)，從而使粗徑鉆具失去導(dǎo)向作用而發(fā)生鉆孔偏斜過大。

4 帷幕鉆孔成孔質(zhì)量控制

鉆孔成孔質(zhì)量是保證灌漿質(zhì)量的先決條件，同時(shí)，成孔效率也影響灌漿進(jìn)度。根據(jù)前期鉆孔成孔試驗(yàn)出現(xiàn)的問題，為保證在特定地質(zhì)條件下的成孔質(zhì)量和提高成孔效率，在鉆機(jī)就位固定后，鉆孔施工采取了以下方法進(jìn)行控制。

(1)根據(jù)鉆孔深度的的實(shí)際情況配置鉆機(jī)。30 m以內(nèi)孔深的鉆孔采用XY-2pc鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，該機(jī)重量輕、體積小。超過30 m深度的鉆孔采用XY-2鉆機(jī)，XY-2型液壓地質(zhì)鉆機(jī)調(diào)速范圍廣，既能滿足小口徑金剛石鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速，又能滿足大口徑硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，且鉆機(jī)體積小，質(zhì)量輕，解體性能好，便于搬運(yùn)，能滿足成孔質(zhì)量要求[5]。

(2)為保證孔壁成形和所鉆取芯樣完整，減少孔內(nèi)沉渣過多而影響灌漿質(zhì)量，將鉆孔壓力適當(dāng)降低至0.4～0.6 MPa。大于60 m的深孔需采用減壓鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速度控制在1.2 ～1.5 m/h。

(3)將鉆孔冷卻沖洗水壓力降低，流速減小，避免因水壓、流速過大對(duì)孔壁反復(fù)沖刷，造成沖蝕破壞而坍塌，減少孔內(nèi)沉渣量，保證灌漿段長(zhǎng)，從而達(dá)到保證灌漿質(zhì)量的目的，沖洗水壓力和流速以孔口出水量能帶出鉆孔產(chǎn)生的巖粉為宜。

(4) 為減少鉆孔時(shí)鉆具、鉆桿的擺動(dòng)對(duì)孔壁造成敲擊碰撞破壞及對(duì)芯樣的碰撞損壞，鉆進(jìn)時(shí)適當(dāng)降低鉆孔轉(zhuǎn)速確保孔壁成形，鉆孔轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在0～350 r/min。

(5) 增加鉆孔回次，在破碎、坍塌、軟巖、沉渣過多的情況下增加鉆孔回次。每一個(gè)鉆孔回次進(jìn)尺縮短至0.5 m為宜，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、鉆壓均隨著降低，從而避免因鉆進(jìn)時(shí)間過長(zhǎng)而引起巖芯過度磨損，造成孔內(nèi)沉砂過多影響灌漿質(zhì)量。

(6) 為減少鉆進(jìn)過程中粗徑擺動(dòng)碰撞孔壁引起的孔壁坍塌、孔壁失去對(duì)粗徑鉆具約束而出現(xiàn)孔斜過大等問題，將前期因施工空間限制采用的長(zhǎng)度為2.5 m的粗徑鉆具增長(zhǎng)至5 m,兩端頭加裝擴(kuò)孔器以防止鉆具過度磨損。同時(shí)，利用擴(kuò)孔器水槽排出巖粉和冷卻水防止燒鉆、埋鉆，每一次下孔的鉆具均安裝撈砂管將每一回次的沉渣取出，保證孔內(nèi)沉渣滿足設(shè)計(jì)要求。最終，達(dá)到控制孔斜的作用，以保證灌漿孔質(zhì)量。

5 結(jié) 語

帷幕灌漿是一種高效的防滲施工技術(shù)，在水電站建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。作為帷幕灌漿施工中一道工序，鉆孔對(duì)于帷幕灌漿的質(zhì)量起關(guān)鍵作用。對(duì)于復(fù)雜地層的鉆孔施工，在灌漿鉆孔施工前，應(yīng)充分了解掌握地質(zhì)資料及巖石地層的巖性、各向異性以及完整程度等特征，提高鉆機(jī)操作人員的技能水平和現(xiàn)場(chǎng)管理水平等，合理選擇鉆機(jī)、鉆具和鉆進(jìn)方法，同時(shí)，還要根據(jù)鉆進(jìn)過程中的孔內(nèi)地質(zhì)變化情況適時(shí)調(diào)整鉆機(jī)壓力和速度以及沖洗液的類型和流量等，從而保證鉆孔的成孔效率和質(zhì)量，為保證灌漿質(zhì)量打下基礎(chǔ)。