淺析用于高承壓水頭下深厚覆蓋層鉆孔加重泥漿研制及配送回收工藝

朱成坤，謝 武，付 成，趙明華，葉玉麟

（1.四川華電瀘定水電有限公司，四川 成都 610000；2.中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清 301700；3.天津市地基與基礎(chǔ)工程企業(yè)重點實驗室，天津 301700）

0 前 言

為控制鉆孔過程中出現(xiàn)涌水、涌砂，本文擬研究采用加重泥漿護壁鉆孔，通過加重泥漿自重來抵消涌水水頭壓力，避免涌水帶出砂礫料，同時起到保護孔壁的作用。通過水頭壓力計算得出加重泥漿比重需在1.5～1.8之間才能滿足護壁鉆孔要求。在研制過程中，既要兼顧加重泥漿的比重（達到足夠的比重才能抵消涌水水頭壓力），又要兼顧泥漿的懸浮攜渣能力（只有適宜的懸浮攜渣能力才能使加重泥漿呈均質(zhì)狀態(tài)，避免重晶石粉沉淀至孔底導(dǎo)致鉆孔抱鉆、埋鉆孔故），最后還要求加重泥漿才能達到一定黏度，以滿足在覆蓋層中的鉆孔護壁效果。加重泥漿護壁鉆孔在水電工程中應(yīng)用很少，沒有類似工程經(jīng)驗可以借鑒，只能通過大量的室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗不斷摸索、調(diào)整、完善，才能達到護壁鉆孔要求的漿液性能。

因此在鉆孔過程中，如何控制出現(xiàn)涌水、涌砂情況是急需解決的技術(shù)難題。研制一種加重泥漿壓制涌水、涌砂是高承壓水頭下壩基深厚覆蓋層帷幕補強灌漿施工的先決條件。

1 工程概況

瀘定水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣境內(nèi)，為大渡河干流第12級電站。水庫正常蓄水位1 378.00 m，總庫容2.195億m3，裝機容量920 MW，工程為二等大（2）型工程。電站大壩為黏土心墻堆石壩，建基于覆蓋層上，壩頂高程1 385.50 m，最大壩高79.50 m；壩址河床覆蓋層深厚，一般厚度120～130m。河床部位（0+105.50 m～0+250.30 m）壩基防滲體系由垂直混凝土防滲墻下接三排灌漿帷幕（防滲墻內(nèi)一排、防滲墻上下游各一排）組成，混凝土防滲墻厚度1 m，最大深度110 m，覆蓋層灌漿帷幕深度約40 m；兩岸部位壩基防滲體系由“垂直混凝土防滲墻+基巖帷幕灌漿（防滲墻內(nèi)一排）”組成。

瀘定水電站于2011年8月20日開始蓄水，于2012年6月6日四臺機組全部投入商業(yè)運行。電站正常運行庫水位變化高程范圍為1 375～1 378 m。2013年3月31日在下游距壩軸線約448 m、距壩腳下游約200 m的右岸河道1 306 m高程發(fā)現(xiàn)滲水，對應(yīng)壩樁號約0+240 m。至2013年4月15日涌水區(qū)地面發(fā)生塌陷，目測流量約為200 L／s，且有較多的灰黑色細顆粒涌出。針對這一情況，在涌水區(qū)域及大壩間布設(shè)9個觀測孔，在涌水點布置11個減壓孔進行疏導(dǎo)。隨后進行了三個階段壩后帷幕補強灌漿施工，通過三個階段的補強帷幕灌漿，涌水點流量和大壩安全監(jiān)測值沒有明顯減小。

瀘定水電站壩址區(qū)河谷覆蓋層深厚，覆蓋層最大深度超過150 m，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)物質(zhì)組成、分布情況、成因及形成時代等，自下而上主要分為四層七個亞層，即第①層漂（塊）卵（碎）礫石層；第②-1亞層漂（塊）卵（碎）礫石層夾砂層，第②-2亞層碎（卵）礫石土層，第②-3亞層粉細砂及粉土層；第③-1亞層含漂（塊）卵（碎）礫石層，第③-2亞層礫質(zhì)砂層；第④層漂卵礫石層。壩頂高程1 385 m，正常蓄水高程1 375 m左右，通過論證，在灌漿廊道內(nèi)實施補灌是唯一可行的方案。但灌漿廊道底板高程為1 311 m，承受的水頭為60～70 m，因此在鉆孔過程中普遍存在涌水壓力超0.5 MPa、涌水流量超100 L／min的情況，而且會帶出地層中大量的砂礫料，對壩基原始地層造成進一步破壞；同時鉆孔過程中塌孔情況十分普遍，對施工進度的影響極大，如何處理鉆孔中的涌水、涌砂、塌孔是施工的重點和難點（灌漿施工剖面見圖1）。

圖1 灌漿施工剖面示意

2 加重泥漿及其護壁原理

加重泥漿也叫加重鉆井液，是由石油鉆探行業(yè)最早開始研究和使用的。通過使用泥漿材料（膨潤土漿、黏土泥漿、化學(xué)泥漿）、加重材料（重晶石粉、鐵礦粉、石灰石）、有機高分子材料（植物膠、正電膠、聚合物）和其他化學(xué)處理劑等制備而成的加重鉆井液，保證漿液具有良好的流動性和懸浮加重能力。

對于每種地層條件，都必須按照一定的配比，使用各種配漿原材料和化學(xué)處理劑配置成所需的護壁泥漿，或者將它們添加到正在使用的護壁泥漿中，以隨時調(diào)節(jié)和維持護壁泥漿的性能［1］。目前護壁泥漿的制漿材料主體已經(jīng)變?yōu)榕驖櫷?，這是一種以膨潤土為主要成分的礦物原料［2］。

加重泥漿的護壁原理主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）泥漿的凝膠化。泥漿通過管路泵壓滲透到周圍土基土內(nèi)，粘附土體顆粒，成為靜止的凝膠，從而減小了顆粒的移動，并將孔壁表層一定范圍內(nèi)的土體孔隙填滿，增強了土體原有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而減少孔壁的坍塌性和透水性，使孔壁趨于穩(wěn)定。

（2）不透水膜的形成。泥漿向孔壁周圍地層滲透，泥漿內(nèi)部的土顆粒在孔壁接觸面上逐漸形成一層致密的泥皮。泥皮能防止漏漿、跑漿，同時也能抵擋水向孔內(nèi)滲入，有效促進了泥漿的護壁功能。泥皮的形成必須要求地層具有一定的滲透性，假如地層的滲透系數(shù)接近于零，則其壁面上是無法形成泥皮的。另外，泥漿的性質(zhì)也影響著泥皮形成的質(zhì)量，品質(zhì)優(yōu)良的泥漿往往比較迅速地形成薄而韌、密度大、耐沖擊的泥皮，有效地保護孔壁。

（3）靜液壓力的作用。泥漿對孔壁作用存在靜液壓力，加上比重大，其值比地下水壓力和涌水壓力要大，從而能有效地防止水向孔內(nèi)滲入，破壞泥漿的性能［3-5］。

3 加重泥漿研制

本項目使用的加重泥漿是由膨潤土、重晶石粉、植物膠、表面活性劑、聚丙烯纖維和水組成。參考石油鉆探行業(yè)鉆井液性能測試標準，需要檢測的護壁泥漿性能包括：漿液密度、擴散度、黏度、動塑比、濾失量等重點考察指標。

按照上述材料和方法，通過室內(nèi)配合比試驗，研究加重泥漿配比和性能。

黏度：也稱塑性黏度，表示泥漿靜止后膠體系統(tǒng)被破壞的難易程度。

動塑比：動切力和塑性黏度的比值，表示剪切稀釋性的強弱。

濾失量：對泥漿進行壓濾試驗，表示通過過濾介質(zhì)和其所形成泥餅的濾液體積。

3.1 膨潤土泥漿配比試驗

加重泥漿在現(xiàn)場膨潤土漿站的膨化泥漿中摻加重晶石粉配制而成。膨潤土配比及性能指標見表1。

表1 膨潤土漿性能檢測結(jié)果

通過表1可以看出，隨著膨潤土摻量的增加，膨潤土漿密度逐漸增大，擴散度變小，黏度逐漸增大，動塑比也增大，濾失量變小。經(jīng)驗表明膨潤土漿液性能良好。

3.2 普通加重泥漿配比試驗

不同比重加重泥漿配比性能檢測結(jié)果見表2。

通過表2可以看出，隨著重晶石粉摻量的增加，加重泥漿密度逐漸增大，說明重晶石粉對于泥漿比重的改善非常明顯。擴散度變大，黏度也逐漸增大，說明重晶石粉的顆粒分散作用和改善漿液流動性效果明顯；動塑比增大，濾失量變小。經(jīng)驗表明，普通加重泥漿性能良好。

表2 普通加重泥漿性能檢測結(jié)果

3.3 特殊加重泥漿配比試驗

特殊加重泥漿是解決涌水、涌砂條件下通過添加植物膠和表面活性劑配制而成的泥漿（見表3）。

通過表3可以看出，隨著水摻量的增加，加重泥漿比重和黏度逐漸減小，說明水對泥漿密度和黏度的改良較為明顯。對于涌水、涌砂地層而言，需要不同密度的泥漿形成漿柱壓力來壓制水頭壓力，平衡孔內(nèi)涌水壓力。通過不同漿液黏度和動塑比使巖屑、沉渣上浮，循環(huán)帶出。

表3 特殊加重泥漿性能檢測結(jié)果

3.4 纖維加重泥漿配比試驗

纖維加重泥漿采用特殊加重泥漿和纖維配制而成。不同纖維摻量加重泥漿配比性能檢測結(jié)果見表4。

表4 不同纖維摻量加重泥漿性能檢測結(jié)果

通過表4可以看出，隨著纖維摻量的增加，加重泥漿擴散度逐漸減小，說明纖維對于泥漿擴散度的影響較為明顯。對于漏失量較大的地層而言，需要擴散度適宜的纖維泥漿封堵大的滲漏通道，達到孔壁內(nèi)部滲透平衡的目的。

4 加重泥漿制備及輸送回收

4.1 加重泥漿制備和輸送

由于加重泥漿的成本較高，因此必須合理規(guī)劃泥漿的制備、輸送和回收問題。施工現(xiàn)場設(shè)置一個集中制漿站，首先將160組份膨潤土在漿池子加上水膨化24 h，然后抽至加重泥漿池，加入1 750組份水、4 000組重晶石粉，安裝泥漿泵進行內(nèi)循環(huán)，使泥漿混合均勻及陳化。然后，通過管路輸送至現(xiàn)場高速攪拌機（儲漿罐），通過管路電磁流量計和電磁蝶閥控制漿液向四個機組精確、及時、可控的供應(yīng)。機組根據(jù)鉆孔需要在高速攪拌機中加入植物膠、表面活性劑、聚丙烯纖維和水來及時調(diào)整漿液，以滿足不同地層情況的鉆孔狀態(tài)。加重泥漿制備及輸送回收系統(tǒng)見圖2。

圖2 加重泥漿制備及輸送回收系統(tǒng)示意

通過相關(guān)試驗表明：加重泥漿按照膨潤土∶重晶石粉∶水=160∶4 000∶1 750的配比是適宜的，在使用過程中根據(jù)需要加入適宜的外加劑。

4.2 加重泥漿回收

加重泥漿使用量較大且成本高，在施工過程中，需對加重泥漿進行回收并重復(fù)利用，如圖3所示。

圖3 加重泥漿回收系統(tǒng)示意

5 結(jié) 論

瀘定水電工程由于具有高水頭、大涌水、深厚覆蓋層地層的施工條件，成孔施工難度極大。通過對泥漿護壁原理和作用的分析，在泥漿中摻加不同材料制備需要的加重泥漿，通過加重泥漿鉆孔工藝有效地防止了粉細砂層造孔過程中流砂及塌孔事故的發(fā)生。研制的加重泥漿性能能夠滿足高承壓水頭下深厚覆蓋層鉆孔需求，在施工過程中解決了泥漿制備、輸送、計量等問題，同時從經(jīng)濟效益出發(fā)，成功研制出了加重泥漿回收系統(tǒng)，類似經(jīng)驗可供其他工程借鑒。