水利水電工程建設(shè)中的鉆探和灌漿技術(shù)研究

馮澤波 湖南省水利水電勘測設(shè)計規(guī)劃研究總院有限公司

1 前言

由于水利水電工程建設(shè)相對比較復(fù)雜，其所牽涉的工程技術(shù)領(lǐng)域和學科范圍比較廣泛，而且施工規(guī)模大，建設(shè)期限也相應(yīng)較長，所以在現(xiàn)實施工過程中，對每個施工技術(shù)要素規(guī)定都比較嚴格；同時也應(yīng)引起建設(shè)方的重視，并通過安全可靠的手段完成施工過程，以此提高水利水電工程的施工效果和建筑品質(zhì)。在這個流程中，鉆探灌漿施工技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一，在實踐使用流程中也起到了不容小覷的作用。

2 水利水電工程鉆探與灌漿施工技術(shù)概述

在水利水電工程的鉆孔灌漿施工中，鉆孔施工技術(shù)主要是對水利水電建筑物下的土層和巖石進行施工，并評價地下巖層的穩(wěn)定性。礦山、煤礦、石油勘探的鉆孔施工，主要是勘探目的和鉆孔技術(shù)。水利水電工程的注漿施工主要是借助鉆孔技術(shù)和特定的注漿設(shè)備，將液體膠狀液體按科學比例壓入建筑物或基礎(chǔ)部位裂縫中的施工技術(shù)。

灌漿技術(shù)可以提高水利水電工程的質(zhì)量，避免其他液體滲入，進而提高水利水電工程的施工水平。因此，加強水利水電工程的鉆孔灌漿施工監(jiān)督，一方面可以提高水利水電工程的施工技術(shù)，規(guī)范施工程序，保證施工進度；另一方面，借助科學技術(shù)加強施工管理，預(yù)防和減少鉆孔事故的發(fā)生，提高鉆井效率。

3 水利水電工程中鉆探與灌漿技術(shù)的應(yīng)用原則

水利水電施工中的鉆探建筑施工環(huán)節(jié)，與礦山、采煤、油氣勘查等鉆探建筑施工均不同。水利水電中的鉆探施工，側(cè)重于要求準確地解析出水利水電工程下的土石，根據(jù)地層的形態(tài)特征和狀態(tài)，判斷地下巖石的分布情況及穩(wěn)定性。如采礦、煤礦開采、石油勘探等，鉆探施工主要側(cè)重于勘探目的和鉆探技術(shù)。

水利水電工程的勘探，必須對各類層位原狀樣做出各項基本物理力學性質(zhì)和水文地質(zhì)學方面的試驗，對巖層產(chǎn)狀的運動穩(wěn)定性、區(qū)域的運動平衡穩(wěn)定性以及巖層產(chǎn)狀的滲透性等必須進行科學合理的判斷，如此可以對水利水電工程建造的安全做出科學合理的工程建設(shè)預(yù)算，以此確定切合實際的工程造價。水利水電鉆探施工過程中，要對生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境條件展開全面、多方位的認識，以查清覆蓋層的地理構(gòu)造和厚度等基本狀況，以便制訂科學合理的建筑施工方法，保證鉆探工程建設(shè)的順利完成。

4 水利水電工程建設(shè)中鉆探與灌漿技術(shù)研究分析

4.1 鉆探技術(shù)

水利水電施工中采用的鉆探技術(shù)，與傳統(tǒng)探礦、采面使用的鉆探、對油田的勘探及其他類型的鉆探技術(shù)不同，這不僅是勘查目的上的差異，還體現(xiàn)在勘查的條件和鉆進采用的工藝技術(shù)和特點等方面的差異。從定量分析角度上說，在水利水電施工中使用鉆探技術(shù)是為了發(fā)現(xiàn)水利樞紐工程下的地質(zhì)巖性特點，以便可以正確地對層位進行分類，并對穩(wěn)定性作出正確的評估。從定量分析角度來看，要正確評價巖性地層的承載力、穩(wěn)定性和滲透性，必須對不同層位的樣品進行必要的化學、物理測試和水文地質(zhì)測量，并由此判斷工程的初步設(shè)計是否合理、穩(wěn)定和安全，從而評估工程的造價和可行性。

水利水電工程建筑鉆探施工之前，必須先多角度全面了解作業(yè)環(huán)境，而重點掌握的則是建筑鉆探部位的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)覆蓋層的厚薄程度，從而制定出最科學合理的施工方法，以確保建筑鉆探各項工作能夠順利完成。

清水用作沖洗液有著相對便宜且取材簡單的優(yōu)勢，還能夠隨時對鉆探表面做冷卻處理，減少了鉆探前端的高溫以及對鉆頭的鉆探?jīng)_擊。但是，清水也非常容易對卡料結(jié)構(gòu)中取樣地層產(chǎn)生損傷，從而導致不能對部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行正確合理的分析判斷。即使采用了其他彌補方法加以彌補，也很難再對現(xiàn)場的巖石地貌情況做出合理的評估。

常規(guī)鉆探方法采用的主要是雙單管鉆具，這些常規(guī)鉆具的口徑一般為Φ168mm、Φ146mm、Φ127mm、Φ108mm和Φ89mm，而這些推進方法的平均鉆探普通工效為每天8h～12h，8m～20m不等，同時對機械設(shè)備的消耗也很大。根據(jù)這種弊端，一些施工單位通過結(jié)合實際情況,對鉆頭的規(guī)格和形式作了調(diào)整，從而大大提高了鉆探工作效率。

另一些鉆探方法也是使用合金鉆機，這些鉆具大都是在遇到較堅硬的巖石地層時采用，同時也可結(jié)合實際的地層狀況對水壓和沖洗液量的尺寸和速度進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以提高效率，從而縮短工期。合金鉆機的口徑型號通常為Φ127mm、Φ108mm、Φ90mm 和Φ76mm。水利水電工程建設(shè)，在鉆探效益上的提升離不開鉆具種類的持續(xù)發(fā)展和豐富多彩，這是鉆探效益提升的物質(zhì)基礎(chǔ)。

另外，在鉆探某些地質(zhì)比較疏松的區(qū)域時,也必須重視對坑壁的防護，因此,一般都可在常規(guī)鉆探中采取套管跟進的方式進行防護，比較常見的套管口徑型號有：Φ209mm、Φ168mm、Φ127mm、Φ108mm 及Φ89mm 五種。針對比較疏松的地質(zhì)情況，在鉆探過程中不應(yīng)該只是把鉆探當成唯一的動力工具，還應(yīng)該透過增加推動力使套管推動。

在蘇北及西南地區(qū)，由于地貌條件比較復(fù)雜，而且易產(chǎn)生較大的孤石，根據(jù)實際操作經(jīng)驗，單純采用鉆探方法非常容易損傷鉆頭，所以要結(jié)合孤石尺寸和方位等各種因素，對其實施爆破式鉆探，并且在爆破時還必須確保套管的安全性。

4.2 灌漿技術(shù)

灌漿技術(shù)作為我國水利水電工程建筑施工的基本技術(shù)手段之一，被廣泛應(yīng)用于水庫基礎(chǔ)的防滲和加固施工中，而灌漿技術(shù)又是提升水庫滲漏結(jié)構(gòu)的堅固性和安全性的關(guān)鍵科技保障。由于水庫與堤壩之間的地基結(jié)構(gòu)是一個工程的關(guān)鍵因素，需要對其加以處理后，才能夠切實滿足防滲和穩(wěn)定的工程需要。

近年來，我國灌漿技術(shù)也在原來的基礎(chǔ)上不斷地向前發(fā)展。無公害化、持久性好，滿足工程建設(shè)中各種苛刻條件，且物美價廉的灌漿漿材的研制、使用和普及，注漿成形新科學技術(shù)的研發(fā)、完善和提升，以及注漿成形專用設(shè)備、器具制造技術(shù)的定型化、系列化、成套化、國家標準和環(huán)?；?，以及新產(chǎn)品的不斷完善與提升等，都必將是其未來的主要發(fā)展方向。

按照不同的使用場所，砂漿工藝技術(shù)主要可包括無塞灌漿技術(shù)、混凝土砂漿工藝技術(shù)、誘導砂漿工藝技術(shù)。①無塞灌漿技術(shù)。這是一種循環(huán)型、不待凝、洞內(nèi)封閉的水泥灌漿技術(shù)，如鉆一個比56mm 帷幕灌漿洞大20mm 的76mm 孔，其孔長約為1.5m～2.5m，可以進入原套較復(fù)雜的注漿成型堵頭，或者只能使用一根鉆桿或無縫型鋼作為注漿管，或者利用鉆桿與L 壁之間的間隙作為注漿管進行循環(huán)注漿。②混凝土灌漿技術(shù)。這種技術(shù)首先運用在壩體堵漏與加固等施工中，后由于建設(shè)的日益發(fā)達而被大量轉(zhuǎn)移并運用于土木施工中，由于水泥具有很好的保護抗震等優(yōu)點，在水利水電施工中也具有很廣泛的使用前景，在全國范圍內(nèi)有許多成功運用混凝土灌漿技術(shù)建造堤壩和水利工程的先例。③誘導灌漿技術(shù)。這是一項較為獨特的灌漿技術(shù)，它是運用電化學的基本原理，按照施工條件設(shè)定相應(yīng)的阻力，阻擋水利水電施工中巖層的外側(cè)壓力，并利用電子控制泥漿的成分和水溫等技術(shù)參數(shù)，限制泥漿流動范圍，以實現(xiàn)對水利水電等工程設(shè)施的加固目的。

灌漿技術(shù)的質(zhì)量管理應(yīng)綜合以下方面：灌漿技術(shù)的科學合理與否，作業(yè)人員的技能訓練能否到位，以及建筑物的結(jié)構(gòu)特點等。灌漿工藝質(zhì)量的大體管理辦法是：首先針對施工既定目標開展現(xiàn)場勘察，然后召集科研人員探討并確定最適宜的灌漿工藝，包括科學合理選用漿材，以及根據(jù)施工環(huán)境的氣溫分布、地質(zhì)分布等，力求使灌漿工藝最大限度地符合施工特點。

必須特別注意有以下幾點：①用劈裂灌漿方法進行灌漿時，劈裂現(xiàn)象必然會最先出現(xiàn)在載體中垂直最小主應(yīng)力的水平平面上。②劈裂灌漿方法可通過數(shù)值法和曲線法，描述在水泥灌漿載體中產(chǎn)生水力劈裂的條件和判斷其特性。當速度與水頭成線形關(guān)聯(lián)時，流動在裂隙中呈現(xiàn)出層流狀，灌漿載體中并未發(fā)生水力劈裂；當速度與水頭成平方根函數(shù)關(guān)系時，滲流呈現(xiàn)出紊流狀，很可能裂隙中發(fā)生了堵塞或裂隙中的填充材料已被壓密；當速度的增加等于流動的增加時，則說明滲流截面已被擴大，這是由載體劈裂、裂隙填充物材料被沖毀以及裂隙變化等因素所造成。③吸滲效應(yīng)是將化工泥漿對低滲透性介質(zhì)的滲透性，是由于化工泥漿對載體的潤濕能力和親和力，并通過接觸角θ來表達化工泥漿對媒介的潤濕。所以，當θ＞90°時，以漿液為載體的潤濕相，親和力F＞0，產(chǎn)生吸滲效應(yīng)；而當θ＜90°，則無吸滲效應(yīng)，需要通過外加壓強才能使泥漿灌入。

5 水利水電工程鉆探與灌漿施工技術(shù)思考

5.1 鉆探施工技術(shù)要點

在水利水電工程的鉆井施工中，施工技術(shù)要點主要包括以下幾點。

第一，施工前要做好施工準備工作。對水利水電工程施工區(qū)域展開調(diào)研，充分了解需要施工的區(qū)域，將調(diào)研結(jié)果匯總成調(diào)研報告，并在調(diào)研報告中對鉆井施工中可能出現(xiàn)的問題提出合理的解決方案，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。根據(jù)勘測報告編制科學的施工方案和施工圖紙，確保鉆井施工技術(shù)和鉆井作業(yè)的順利進行。

第二，加強對鉆井施工質(zhì)量的監(jiān)督控制。在水利水電鉆井施工中，管理人員應(yīng)加強對鉆井施工現(xiàn)場的檢查，嚴格監(jiān)督施工現(xiàn)場的施工環(huán)節(jié)和細節(jié)，避免出現(xiàn)任何偏差，以免影響到鉆探施工的質(zhì)量和水平。

5.2 灌漿施工技術(shù)要點

在水利水電工程的灌漿施工中，主要施工要點具體如下。

第一，在進行砂漿建筑施工之前，首先，政府要做好對建筑施工材料質(zhì)量的監(jiān)管工作，在采購砂漿建筑施工材料時，質(zhì)監(jiān)人員要對建筑施工材料的型號和品質(zhì)做出記錄，為了保證建筑施工材料引入時嚴格檢查?？茖W合理的配置施工中砂漿液體，以保證砂漿液體的質(zhì)量。同時，在砂漿施工準備中，要加強施工設(shè)備的維護，避免施工過程中施工設(shè)備出現(xiàn)質(zhì)量問題而影響施工。

第二，在注漿施工中，要提高施工過程的質(zhì)量管理。在施工過程中，利用先進的科學技術(shù)和信息技術(shù)，提高混凝土砂漿澆筑過程的現(xiàn)場監(jiān)測。如果發(fā)現(xiàn)施工過程中的細節(jié)問題，可以及時反映和處理。在注漿施工中，通過實施建筑施工技術(shù)，以提高工程技術(shù)水平。同樣，在建筑施工過程中，如果現(xiàn)場施工材料不夠好或即將提供補充材料，現(xiàn)場控制中心可以及時獲取信息，對施工現(xiàn)場進行管理，補充現(xiàn)場施工材料。

第三，在注漿施工中，要改進現(xiàn)場施工技術(shù)。如在注漿施工中，可以采用非封堵注漿的現(xiàn)場施工技術(shù)，用鉆桿代替原有的復(fù)雜堵頭。當注漿形成孔的注漿過程完成后，可將該鉆桿拔出，更換其他鉆具，然后繼續(xù)注漿。這樣，注漿施工技術(shù)可以大大提高施工質(zhì)量和技術(shù)，從而保證施工進度，而且，在注漿工程施工中，施工單位要建立技術(shù)規(guī)范，嚴格規(guī)范注漿施工程序和施工標準，以保證注漿施工質(zhì)量。因此，在注漿施工中，建設(shè)單位應(yīng)引進先進的施工技術(shù)和設(shè)備，提高水利水電工程注漿施工技術(shù)水平。

第四，在注漿施工中，注意一些施工問題和細節(jié)。首先，一旦施工現(xiàn)場出現(xiàn)較大裂縫，必須及時處理，防止影響施工進度。其次，在施工中，如果出現(xiàn)吸漿特別嚴重的情況，必須對其進行減壓，然后添加加速劑，進而采取間歇式灌漿作業(yè)，如此反復(fù)進行，進而保障灌漿施工的質(zhì)量。

5.3 水利水電工程灌注技術(shù)的質(zhì)量檢測

首先，對所有的資料和數(shù)據(jù)進行匯總和審核，仔細分析運行數(shù)據(jù)，確定質(zhì)量是否符合標準。

其次，鉆孔檢測。對帷幕和固結(jié)注漿鉆孔取芯進行檢測，檢測孔可采用液壓測試。帷幕注漿檢查孔為注漿孔的10%，固結(jié)注漿可為5%。檢查孔的位置應(yīng)選擇在地層復(fù)雜的地段。同時，孔徑應(yīng)保證帷幕注漿大于110mm，固結(jié)注漿大于140mm。

最后，對檢查孔進行水力試驗。操作應(yīng)按照單井水力試驗操作規(guī)程開展，試驗應(yīng)分為三個壓力階段。但是，在試驗前，壓力相當于1.5倍的水頭，應(yīng)使用于試驗前的沖洗和清洗。流量穩(wěn)定后，調(diào)整壓力，根據(jù)三個試驗壓力進行正式的水壓試驗。結(jié)果應(yīng)小于設(shè)計吸水率后，方可確認注漿質(zhì)量合格。

6 結(jié)束語

綜上所述，水利水電工程項目的建造必須多項技術(shù)綜合應(yīng)用，才能確保建筑工程的優(yōu)質(zhì)。而鉆探施工是水利水電工程中的重點施工技術(shù)，因此，必須采取嚴密的工程質(zhì)量控制措施，對其進行實時監(jiān)測和檢測，才能確保鉆探工程質(zhì)量。而灌注樁技術(shù)也在水利建設(shè)的施工中被日益關(guān)注，但與此同時國家又提出了更多的要求，針對工程建設(shè)中技術(shù)和工藝，都要嚴格遵照國家有關(guān)規(guī)范實施，以期更好地推動水利工程的建設(shè)與發(fā)展。