層次分析法在深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆因素分析中的應(yīng)用

易 聰，李奉霖，辜杰為，辛宗成，馮升學(xué)

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031)

0 前 言

覆蓋層是經(jīng)過各種地質(zhì)作用而堆積在基巖上的松散堆積物，廣泛分布于世界各地河床中，是一個(gè)區(qū)域性的普遍現(xiàn)象，在我國水力資源最豐富的西部地區(qū)(大渡河、岷江、金沙江、雅礱江、雅魯藏布江等)尤為常見。其在正常的河流沉積厚度基礎(chǔ)上，由于地殼抬升、冰川運(yùn)動(dòng)、滑坡淤堵、泥石流等內(nèi)外力地質(zhì)作用，導(dǎo)致河谷深切造成的上覆深厚覆蓋層現(xiàn)象更為顯著。

在水電建設(shè)過程中，必須查明深厚覆蓋層的物質(zhì)構(gòu)成、厚度、滲透性等技術(shù)指標(biāo)。鉆探作為勘探過程中最為重要和直接的手段被廣泛運(yùn)用與研究，是一種必不可少的勘探手段。然而，在面對(duì)深厚覆蓋層時(shí)，常常出現(xiàn)卡鉆事故，極大地影響工程成本及工程進(jìn)度，且容易帶來一系列的孔內(nèi)事故，而針對(duì)深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆事故影響因素的研究卻一直較少。隨著傳統(tǒng)行業(yè)與智能算法不斷緊密[1-2]結(jié)合，在卡鉆因素的分析過程中也需要引入更為先進(jìn)的算法。因此，基于層次分析法[3]，尋找出最易導(dǎo)致深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆事故的因素，達(dá)到提高水電鉆探工作的有效性。

1 層次分析法

1.1 基本原理

20世紀(jì)70年代初，美國學(xué)者SAATY T L基于定性和定量相結(jié)合的分析手段，提出層次分析法(Analytic Hierarely Process，AHP)[9]。其基本原理是將問題拆分為層次結(jié)構(gòu)，層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程能夠讓決策者更加清楚地定義復(fù)雜問題并理解其整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)對(duì)該層次結(jié)構(gòu)元素的相互比較確定最優(yōu)級(jí)，從而幫助決策者做出最佳的選擇。將人的主觀判斷通過數(shù)量的形式進(jìn)行表達(dá)和處理，在分析過程中可以盡量減少個(gè)人主觀臆斷所帶來的弊端，使評(píng)價(jià)結(jié)果更可信。層次分析法主要有理論簡單、工程實(shí)用性較強(qiáng)、系統(tǒng)性良好等優(yōu)點(diǎn)[5]。

1.2 分析過程

層次分析法通過解構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)，利用簡化后的兩兩比較來構(gòu)建判斷矩陣，進(jìn)而求解構(gòu)造的比較判斷矩陣，最后通過特征值對(duì)各種方案進(jìn)行排序，以供決策[6]，主要分析過程如圖1所示。

圖1 層次分析法分析過程

整個(gè)分析過程中，首先需要建立一個(gè)清晰的層次結(jié)構(gòu)，這對(duì)于其后的復(fù)雜問題分析具有至關(guān)重要的作用。層次結(jié)構(gòu)主要由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層構(gòu)成，如圖2所示。層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程能夠讓決策者更加清楚地定義復(fù)雜問題并理解其整體結(jié)構(gòu)。

圖2 層次結(jié)構(gòu)示意

2 卡鉆事故主要影響因素

卡鉆事故是指由于客觀或主觀原因?qū)е裸@頭、鉆具在鉆孔內(nèi)無法正常活動(dòng)的現(xiàn)象。發(fā)生卡鉆會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間和處理成本，并有可能引起更為嚴(yán)重的次生危害，甚至發(fā)生鉆孔報(bào)廢。當(dāng)發(fā)生卡鉆后，處理方式十分復(fù)雜。

卡鉆事故涉及多種因素，因此卡鉆事故的類型也是多種多樣的[7]。通過對(duì)大量水電工程鉆探現(xiàn)場(chǎng)資料和文獻(xiàn)的分析可知，卡鉆事故類型主要有砂橋卡鉆、坍塌卡鉆、泥包卡鉆、落物卡鉆、鍵槽卡鉆、縮徑卡鉆、壓差卡鉆等[8]。同時(shí)根據(jù)對(duì)水電站深厚覆蓋層鉆探過程的分析，卡鉆事故誘因主要有設(shè)備機(jī)具因素、工藝技術(shù)因素和地質(zhì)因素3類。

2.1 設(shè)備機(jī)具因素

(1)鉆桿因素。鉆桿是鉆進(jìn)機(jī)具中較為重要的部分，同時(shí)也是折斷事故的高發(fā)部位，主要由主動(dòng)鉆桿、孔內(nèi)鉆桿和接頭等組成。鉆機(jī)通過鉆桿將鉆壓和扭矩傳遞給地層，從而為地面設(shè)備和破巖工具起到紐帶作用。

(2)水泵因素。水泵又稱泥漿泵，其作用是輸送沖洗液，使沖洗液形成孔內(nèi)循環(huán)液清除巖屑、冷卻潤滑鉆頭和鉆具、保護(hù)孔壁，以供給鉆具能量，輸送特種物質(zhì)。

(3)鉆機(jī)因素。鉆機(jī)屬于鉆探設(shè)備中最為重要的部分，能夠控制并驅(qū)動(dòng)鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)，目前主要有回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)、沖擊式鉆機(jī)和復(fù)合鉆機(jī)等。

(4)套管因素。在覆蓋層鉆探中，由于孔壁穩(wěn)定性不佳，通常采用套管護(hù)壁措施，將松散覆蓋層孔壁轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的套管孔壁。因此覆蓋層鉆探中，保持孔壁穩(wěn)定性是重中之重，這也是導(dǎo)致卡鉆等鉆探事故的直接原因之一。而在成孔的鉆探作業(yè)過程中，下入套管是防止孔壁坍塌和沖洗液漏失、預(yù)防孔內(nèi)事故發(fā)生的可靠且有效的措施。

(5)鉆具因素。鉆探機(jī)具一般指鉆探所用的管材、鉆桿柱、鉆具、鉆頭等，不同的孔徑、孔深、地層條件和作業(yè)環(huán)境等均對(duì)鉆探機(jī)具有不同的要求。作為與地層直接接觸并施加作用力的部分，鉆頭結(jié)合先進(jìn)材料和工藝[9]，發(fā)展出適用于不同地層、不同環(huán)境條件的新型鉆頭，如斧型齒PDC鉆頭[10]、復(fù)合片取心鉆頭等。

2.2 工藝技術(shù)因素

(1)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素。鉆孔結(jié)構(gòu)是指開孔至終孔，鉆孔剖面中各深度孔段所對(duì)應(yīng)口徑的變化情況。通常來說，鉆孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，換徑次數(shù)就越多；鉆孔結(jié)構(gòu)越簡單，換徑次數(shù)就越少。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要依據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、鉆孔頂角和方位角等綜合設(shè)計(jì)。特別是在深厚覆蓋層水電鉆探中，若鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、不科學(xué)，則會(huì)直接影響鉆孔質(zhì)量，甚至導(dǎo)致卡鉆等鉆孔事故。

(2)鉆進(jìn)工藝因素。鉆進(jìn)工藝作為影響鉆探過程較為重要的一個(gè)因素，需要建立在分析覆蓋層鉆探特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇，并且針對(duì)覆蓋層結(jié)構(gòu)及其巖石種類進(jìn)行精確分析。鉆進(jìn)工藝中鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)(鉆壓、鉆速、泵量等)是最為重要的部分，通常在實(shí)際工程中，需要結(jié)合勘探區(qū)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行鉆進(jìn)工藝的選擇和設(shè)置。

(3)護(hù)壁工藝因素。覆蓋層鉆探中，孔壁穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要工作，通常采用套管護(hù)壁或者泥漿護(hù)壁。

(4)孔斜控制因素?？仔庇址Q鉆孔彎曲，指在鉆進(jìn)過程中，已經(jīng)鉆成的孔段或井段軸線同原設(shè)計(jì)軸線之間所產(chǎn)生的偏移，包括頂角偏移和方位角的偏移，是衡量鉆探工程質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)?？仔卑l(fā)生時(shí)，若不能及時(shí)控制，極易引起施工的困難和事故的發(fā)生，同時(shí)更不能達(dá)到地質(zhì)勘探目的。

(5)沖洗液性質(zhì)因素。沖洗液作為鉆探過程中不可或缺的組成部分，是滿足鉆進(jìn)過程中多種功能需求的循環(huán)流體總稱，通常為液體，也可以是氣體或氣液混合體。沖洗液對(duì)于卡鉆事故是否發(fā)生起到了舉足輕重的作用，因此需要充分考慮沖洗液因素。根據(jù)沖洗液的不同流型，可將沖洗液黏度劃分為漏斗黏度、表觀黏度和塑性黏度等。當(dāng)沖洗液黏度過大時(shí)，鉆具鉆速所受阻力較大，鉆頭易產(chǎn)生泥包。但是沖洗液黏度過小時(shí)，沖洗液攜帶巖屑的能力降低，易使巖屑沉積導(dǎo)致鉆具抱死。

2.3 地質(zhì)因素

(1)覆蓋層成因類型因素。覆蓋層成因主要有坡積、洪積、堆積、沉積、冰積、風(fēng)化等，不同成因下的覆蓋層結(jié)構(gòu)不同，包括土粒單元的大小、礦物成分、形狀、相互排列及聯(lián)結(jié)關(guān)系等微觀結(jié)構(gòu)和土體的層理、孔隙等宏觀結(jié)構(gòu)。

(2)覆蓋層物質(zhì)組成因素。覆蓋層由于其成因類型不同，其物質(zhì)組成也大不相同，主要是指塊石、礫石、卵石含量；漂石、孤石的體積大小等。

(3)覆蓋層地層結(jié)構(gòu)因素。覆蓋層是第四系地層，在重力或其他外力作用下并未完全固結(jié)，通常呈現(xiàn)松散、緊密、致密和膠結(jié)等狀態(tài)。

(4)覆蓋層地層滲透性因素。通常情況下，鉆探作業(yè)時(shí)地層孔隙壓力遠(yuǎn)低于鉆井內(nèi)壓力，在這種壓力差作用下，沖洗液易滲透至地層中，影響孔壁穩(wěn)定性，該因素直接影響著沖洗液濾失量指標(biāo)。

3 層次分析法在工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

牙根二級(jí)水電站位于甘孜州雅江縣，是雅礱江流域水電開發(fā)梯級(jí)電站中十分重要的一環(huán)。在雅礱江的侵蝕作用下，河段兩岸谷坡陡峻，山體雄厚，河谷為深切不對(duì)稱“V”型峽谷，地形完整性好。壩址區(qū)左岸及右岸低高程淺表出露基巖為印支-燕山期黑云母花崗巖，右岸低高程淺表以里及中、高高程為三疊上統(tǒng)侏倭組變質(zhì)砂巖夾印支-燕山期花崗偉晶巖，壩區(qū)巖體完整性總體較好。兩岸未見較大順坡軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，邊坡整體穩(wěn)定，壩區(qū)未見泥石流溝發(fā)育，河床覆蓋層較厚。該水電工程鉆探過程中，容易發(fā)生卡鉆事故，而事故的誘發(fā)因素卻顯得錯(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)的分析手段具有一定的局限性。因此，有必要基于層次分析法和覆蓋層水電鉆探卡鉆誘因?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)(見圖3)，建立一套卡鉆事故分析模型，以保障勘探工作順利進(jìn)行。

3.2 層次分析模型的建立

導(dǎo)致深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆事故發(fā)生的誘因有很多，其中某些因素可以定量化衡量，但有些因素只能定性評(píng)價(jià)，所有的這些因素共同導(dǎo)致了卡鉆事故的發(fā)生。而且在這些因素當(dāng)中，尚不完全知道哪些因素起主要作用，哪些因素起次要作用，因此需要建立深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆事故誘因遞階層次結(jié)構(gòu)分析模型，如圖3所示。

圖3 深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆事故誘因?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)

3.3 構(gòu)造判斷矩陣

構(gòu)造判斷矩陣是確定各個(gè)因素權(quán)重的關(guān)鍵，通常有2種方法，即專家打分法和個(gè)人評(píng)定法。專家打分法因其操作較為困難而在研究中較少被采用，但其可信度較高。基于此，本文采用專家打分法，通過邀請(qǐng)正高級(jí)工程師和一線鉆探班組工人進(jìn)行問卷調(diào)查，并采用層次分析法中的標(biāo)度方法(見表1)，對(duì)所有影響因素建立判斷矩陣(見表2～5)。

表1 層次分析法判斷標(biāo)度[11]

表2 判斷矩陣A及單排序

表3 判斷矩陣B1及單排序

表4 判斷矩陣B2及單排序

表5 判斷矩陣B3及單排序

3.4 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

經(jīng)過對(duì)判斷矩陣A、B1、B2、B3的最大特征根和特征向量的求解，對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理后即可得到各因素的相對(duì)重要性權(quán)重(見表2～5)。為保證每一準(zhǔn)則下各個(gè)影響因素得到合理的相對(duì)權(quán)重，需要對(duì)判斷矩陣采用式(1)～(2)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若CR<0.1，則滿足一致性要求。

CR=CI/RI。

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)。

(2)

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣階數(shù)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，根據(jù)表6進(jìn)行取值。

表6 RI與判斷矩陣階數(shù)關(guān)系

經(jīng)過對(duì)權(quán)重的計(jì)算可以知道，A、B1、B2、B3的最大特征根依次為:3、5.425 4、5.080 8、4.022 1，則可知CR值依次為:0、0.094 9、0.018、0.008 3，均小于0.1，符合一致性要求。

3.5 目標(biāo)總排序及一致性檢驗(yàn)

通過以上對(duì)各層影響因素的單排序后，接下來進(jìn)行目標(biāo)總排序，可以得到深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆事故誘因權(quán)重值(見表7)，并根據(jù)表7可得圖4。

圖4 各指標(biāo)層總目標(biāo)權(quán)重曲線

表7 目標(biāo)總排序

對(duì)層次總排序按式(3)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，CR=0.02<0.10，具有良好的一致性，滿足層次分析法的要求。

(3)

式中:i取值為1～3；W(i)為B1、B2、B3權(quán)重值；CI(i)為B1、B2、B3的CI值；RI(i)為B1、B2、B3的RI值。

由表7和圖4可知，導(dǎo)致深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆事故發(fā)生的因素較多，在設(shè)備機(jī)具因素、工藝技術(shù)因素和地質(zhì)因素的準(zhǔn)則內(nèi)，各指標(biāo)層的權(quán)重較為一致。綜合來看，最為重要的因素為覆蓋層物質(zhì)組成(0.151 4)，次重要因素為沖洗液性質(zhì)(0.15)，覆蓋層地層結(jié)構(gòu)(0.146)，其他影響因素權(quán)重值均較小，說明地質(zhì)因素對(duì)卡鉆事故影響較大，工藝技術(shù)因素次之，設(shè)備鉆具因素影響最小。

牙根二級(jí)水電站在鉆探實(shí)施過程中，對(duì)這三個(gè)方面均進(jìn)行了充分的準(zhǔn)備，使得鉆探施工過程較為順利，卡鉆事故發(fā)生率較低，證明該分析與研究符合實(shí)際情況，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

影響深厚覆蓋層水電鉆探卡鉆事故發(fā)生是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜、相互聯(lián)系與制約的復(fù)雜系統(tǒng)，如何在許多相互關(guān)聯(lián)的因素中分析出最為重要的因素是降低卡鉆事故發(fā)生率的重點(diǎn)?；诳茖W(xué)合理的研究方法——層次分析法，對(duì)易導(dǎo)致卡鉆事故的誘因進(jìn)行抽絲剝繭，尋找出最為重要的因素為覆蓋層物質(zhì)組成因素，次重要的因素為沖洗液結(jié)構(gòu)因素和覆蓋層地層結(jié)構(gòu)因素。此結(jié)論可為其他工程的卡鉆事故分析與研究提供新思路。