楊房溝水電站大壩常態(tài)混凝土超長(zhǎng)芯鉆取施工技術(shù)研究

宋濤 劉濤

摘要：

為有效鉆取能直觀反映楊房溝水電站大壩混凝土密實(shí)性、層間結(jié)合緊密程度、骨料均勻性的長(zhǎng)芯，以驗(yàn)證混凝土澆筑質(zhì)量，開展了超長(zhǎng)芯鉆取工藝試驗(yàn)研究。介紹了鉆孔機(jī)具選擇、鉆進(jìn)參數(shù)選取、鉆進(jìn)過(guò)程控制和取芯措施等長(zhǎng)芯鉆取施工技術(shù)與方法。實(shí)踐成果表明：該混凝土長(zhǎng)芯鉆取工藝參數(shù)與方法合理，并成功取出28.15m超長(zhǎng)混凝土芯，提出了施工改進(jìn)建議。研究成果可供類似工程混凝土長(zhǎng)芯樣鉆取借鑒。

關(guān)鍵詞：

混凝土； 超長(zhǎng)芯鉆?。?施工技術(shù)； 楊房溝水電站

中圖法分類號(hào)：TV523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.009

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S1-0030-03

0 引 言

鉆孔取芯是對(duì)大體積混凝土質(zhì)量檢查最直接和有效的手段。超長(zhǎng)芯樣直接揭示了混凝土內(nèi)部原始狀態(tài)，直觀反映混凝土密實(shí)性、骨料分布均勻性以及澆筑層間結(jié)合的緊密性。許多專家及學(xué)者對(duì)碾壓混凝土鉆芯或是小孔徑鉆芯技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和研究。光照水電站大壩碾壓混凝土鉆孔取芯最長(zhǎng)芯為15.33 m（直徑150 mm），是當(dāng)時(shí)碾壓混凝土世界領(lǐng)先水平［1］；居甫渡水電站大壩碾壓混凝土鉆取芯長(zhǎng)度為13.31 m（直徑150 mm）［2］；羅建鋒［3］分析了混凝土鉆芯與地質(zhì)巖心鉆取的不同，研究了相關(guān)工藝技術(shù)；陳?。?］提出芯樣獲得率和折斷率是評(píng)定碾壓混凝土均勻性的重要指標(biāo)，取出完整、連續(xù)的原狀碾壓混凝土芯樣是關(guān)鍵。然而，對(duì)25 m以上的常態(tài)混凝土芯樣長(zhǎng)芯鉆取的研究與實(shí)踐較少。

本文以楊房溝水電站工程為例，通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)查、工藝試驗(yàn)以及鉆取過(guò)程控制，對(duì)大壩混凝土長(zhǎng)芯樣鉆取施工技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

楊房溝水電站為Ⅰ等大（1）型工程，樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155.0 m；泄洪消能建筑物為壩身表、中孔+壩后水墊塘及二道壩，泄洪建筑物布置在壩身，消能建筑物布置在壩后；引水發(fā)電系統(tǒng)布置在河道左岸，地下廠房采用首部開發(fā)方式；電站進(jìn)水口型式采用岸塔式；引水隧洞采用單機(jī)單洞豎井式布置；主副廠房洞長(zhǎng)230.0 m，高75.57 m，巖梁以下寬28.0 m、以上寬30.0 m；電站總裝機(jī)容量1 500 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)375 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。2020年12月17日大壩混凝土全部澆筑完成，于2021年10月16日全部投產(chǎn)發(fā)電。

2 長(zhǎng)芯鉆取技術(shù)試驗(yàn)與施工

2.1 工藝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證長(zhǎng)芯鉆取施工工藝的可行性，在混凝土澆筑厚度約10 m的大壩觀景平臺(tái)合適位置開展鉆芯試驗(yàn)。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，在基于大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取GQ-80型門式鉆機(jī)配套粗徑鉆鉆具開展工藝參數(shù)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，在該部位成功鉆取了直徑242 mm、長(zhǎng)度L=8.5 m的混凝土芯樣，初步確定在大壩混凝土長(zhǎng)芯鉆取過(guò)程中采用轉(zhuǎn)速為 60～200 r/min，鉆進(jìn)速度約0.35 m/h，鉆壓高于混凝土抗壓強(qiáng)度5 MPa，采用清水作為沖洗液（冷卻液）且流量控制在40～80 L/min的施工標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 長(zhǎng)芯鉆取施工

在工藝試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，按照規(guī)劃的鉆孔位置，在大壩15號(hào)壩段壩頂高程2 102 m平臺(tái)開展混凝土長(zhǎng)芯鉆取技術(shù)研究與實(shí)踐工作。

2.2.1 準(zhǔn)備工作

（1） 為檢查評(píng)價(jià)楊房溝水電站拱壩已澆筑混凝土質(zhì)量，提前規(guī)劃在3，5，13，15號(hào)壩段壩頂鉆取長(zhǎng)芯。在澆筑至2 070 m高程時(shí)，預(yù)埋和焊接14號(hào)槽鋼連續(xù)垂直向上引作標(biāo)識(shí)，并用Φ32 mm鋼筋或角鋼加固于橫縫模板上，槽鋼安裝埋設(shè)位置距橫縫1.5 m、距上游壩面4 m，垂直埋設(shè)；壩頂面取芯孔位置在槽鋼下游0.5 m，距橫縫2 m，倉(cāng)面冷卻水管、儀器、金屬埋件、線纜等布置需避開取芯位置，在倉(cāng)面設(shè)計(jì)中精確反映型鋼、取芯位置，每倉(cāng)由測(cè)量人員對(duì)槽鋼位置進(jìn)行校核。

（2） 提前編制專項(xiàng)措施，并組織業(yè)內(nèi)專業(yè)人士進(jìn)行評(píng)審和咨詢，使專項(xiàng)措施更具可操作性和可靠性。

（3） 比選論證，結(jié)合工程應(yīng)用案例，選取綜合效益最優(yōu)的鉆機(jī)及鉆具。提前準(zhǔn)備各類耗材和加工施工圍欄、支架等。

（4） 抽調(diào)經(jīng)驗(yàn)豐富的作業(yè)隊(duì)伍開展輪訓(xùn)，確保每一名施工人員能熟練掌握操作技能和質(zhì)量控制要點(diǎn)。

2.2.2 鉆孔機(jī)具選擇

（1） 鉆機(jī)選型。為獲取完整芯樣，必須保證混凝土芯在鉆取過(guò)程中不發(fā)生折斷和磨損現(xiàn)象。通過(guò)比選論證，最終選用GQ-80型門式鉆機(jī)，其最大鉆孔直徑600 mm、最大可鉆取30.0 m深孔，動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)速度有40，118，218，300 r/min等4個(gè)等級(jí)、反（正）轉(zhuǎn)速62 r/min，最大扭矩4 500 N·m、整機(jī)重量2 500 kg。上機(jī)前調(diào)整鉆機(jī)立軸動(dòng)力頭與滑軌間隙，保證鉆進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)。

（2） 鉆具選型。① 鉆桿和機(jī)桿的選擇應(yīng)保證其垂直度及合適長(zhǎng)度。為了避免在鉆進(jìn)時(shí)鉆桿擺動(dòng)和振動(dòng)幅度大，對(duì)鉆機(jī)和立軸的穩(wěn)定不利，應(yīng)提高鉆具的同軸度，盡量使用粗徑鉆桿鉆進(jìn)；大鉆桿剛性強(qiáng)、抗彎曲性能好、擺動(dòng)幅度小、可承受較大扭矩，發(fā)生卡鉆、斷鉆概率小。本次選擇直徑124 mm粗徑鉆桿，長(zhǎng)度為0.5～3.0 m。② 鉆桿直線度、鉆桿鉆具連接后的同軸度、鉆桿鉆具端面垂直軸線與孔軸線偏距是保證鉆孔不發(fā)生較大偏斜的三大控制指標(biāo)。每一根鉆桿下鉆前，利用細(xì)鋼絲緊附在鉆桿兩端拉緊，用游標(biāo)卡尺測(cè)量鋼管彎曲處最大弦高，計(jì)算鉆桿直線度，直線度大于0.25%的不得使用；鉆桿與鉆桿、鉆桿與鉆頭絲扣連接后應(yīng)保證同軸度偏差小于Φ 0.04 mm，鉆具與鉆桿端面與軸線的垂直度偏差小于0.08 mm。③ 根據(jù)所取部位混凝土的特性，確定鉆頭金剛石目數(shù)為40～45、JR5級(jí)、胎體硬度15°～20°、直徑250 mm。

2.2.3 鉆進(jìn)參數(shù)

（1） 本次取芯采用單管取芯法，為降低混凝土芯在鉆進(jìn)和拔芯過(guò)程中的折斷概率和磨損程度，取芯孔軸向?yàn)殂U直方向。

（2） 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察與借鑒其他工程經(jīng)驗(yàn)，在滿足下列條件時(shí)可盡量采用高轉(zhuǎn)速：孔內(nèi)沖洗液流暢，鉆具震動(dòng)小；鉆具有足夠的強(qiáng)度；鉆機(jī)安裝牢固，機(jī)上鉆桿和孔內(nèi)鉆桿平直；混凝土完整。

（3） 結(jié)合本工程骨料特性、混凝土抗壓強(qiáng)度及抗研磨性等，在工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將鉆機(jī)轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)速度分別控制在120 r/min、0.40 m/h左右。

（4） 根據(jù)混凝土性、鉆頭性能等綜合選擇鉆壓。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，鉆壓一般高于所鉆混凝土抗壓強(qiáng)度5 MPa左右。

（5） 沖洗液（冷卻液）為清水。高流態(tài)、大流速平穩(wěn)供水，保證孔底石粉、石屑能沖出孔外，防止鉆頭因長(zhǎng)期摩擦混凝土發(fā)熱及石屑卡鉆而影響鉆機(jī)效率和鉆芯質(zhì)量。流量不宜過(guò)大，應(yīng)控制在60 L/min。

2.2.4 鉆進(jìn)過(guò)程控制

（1） 孔位采用全站儀放樣，偏差不大于4 mm。為便于開孔與測(cè)斜控制，作業(yè)人員將鉆機(jī)位置混凝土打磨找平，采用儀器對(duì)鉆機(jī)立軸及主動(dòng)鉆桿進(jìn)行垂直校正，通過(guò)墊片調(diào)節(jié)鉆機(jī)水平度，打地錨將鉆機(jī)固定。開鉆之前需再次校核鉆機(jī)擺位水平度和開孔角度，保證鉆機(jī)立軸線與孔軸線最大程度重合。開孔采用最低轉(zhuǎn)速，一般為40～60 r/min。鉆壓采用低壓，并確保開孔的垂直度。

（2） 正常鉆進(jìn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速采用中低速平穩(wěn)鉆進(jìn)，如出現(xiàn)抖動(dòng)或過(guò)于晃動(dòng)則應(yīng)立刻停鉆。鉆進(jìn)過(guò)程中操作人員隨時(shí)觀察供水和孔內(nèi)返水情況及鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，詳細(xì)記錄各類異常情況。升降鉆具過(guò)程中，仔細(xì)檢查鉆桿、接頭的彎曲和磨損情況，彎曲、磨損嚴(yán)重的鉆具應(yīng)立即更換。下鉆時(shí)，不得將鉆具一直放到孔底；離孔底0.2～0.3 m時(shí)，用大流量水沖洗孔，慢轉(zhuǎn)輕壓掃孔，進(jìn)尺0.2～0.3 m后再恢復(fù)正常壓力和轉(zhuǎn)速。升降鉆具應(yīng)平穩(wěn)，禁止不顧孔內(nèi)異常情況盲目快速升降，以防“抽吸”作用造成垮孔。鉆具放入或提出孔口時(shí)，由專人扶持，以避免因搖擺碰撞損傷鉆頭。

（3） 鉆進(jìn)功效較低時(shí)，可能是鉆頭金剛石出刃不理想、研磨能力降低，可將鉆頭取出后使用硝酸浸泡，或人工鑿磨改善性能。

（4） 每次鉆進(jìn)結(jié)束之后，在起鉆之前應(yīng)加大給水流量對(duì)鉆孔進(jìn)行沖洗，直至回水澄清為止。保持孔內(nèi)清潔以利于順利起鉆。

2.2.5 取芯措施

混凝土芯樣在從巖芯管內(nèi)取出的過(guò)程中易被折斷，鉆孔達(dá)到預(yù)定深度后，利用卡簧座與卡簧將芯樣底部卡住，在孔口利用夾板夾緊巖芯管，用千斤頂協(xié)助鉆機(jī)立軸頂拔芯樣，使用該水電站纜機(jī)緩慢起拔鉆具；孔內(nèi)鉆具取出孔外后，應(yīng)首先將芯樣擺放位置找平，在混凝土芯樣從巖芯管內(nèi)取出之前，先用自由鉗擰卸掉鉆頭；擰卸鉆頭及取芯時(shí)，嚴(yán)禁重錘或猛擊鉆具，防止芯樣擊打震斷。使用圓木、導(dǎo)鏈將巖芯管內(nèi)的混凝土芯樣緩慢頂出，也可在巖芯松動(dòng)后，利用壓力水將巖芯頂出巖芯管，即可獲得長(zhǎng)而完整的芯樣。

2.2.6 芯樣吊運(yùn)與存放

混凝土巖芯吊出鉆孔后，利用30 t纜機(jī)吊運(yùn)至巖芯放置平臺(tái)，使用另外一臺(tái)纜機(jī)和25 t汽車吊配合，將混凝土芯樣緩慢放置到支架上。放置架安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行水平度檢測(cè)和調(diào)整。水平度檢測(cè)、調(diào)整采用水平管進(jìn)行。

3 取芯成果

通過(guò)本次研究與實(shí)踐，在楊房溝水電站工程15號(hào)壩段頂成功取出直徑242 mm、長(zhǎng)度28.15 m的混凝土超長(zhǎng)芯樣，其穿過(guò)8個(gè)澆筑層、7個(gè)水平施工縫面、56個(gè)澆筑坯層。該成果表明楊房溝水電站拱壩混凝土澆筑質(zhì)量較高，驗(yàn)證了混凝土長(zhǎng)芯鉆取工藝參數(shù)與技術(shù)的合理性。

4 同類施工改進(jìn)建議

（1） 重視培養(yǎng)質(zhì)量意識(shí)。部分施工隊(duì)伍存在追求“短、平、快”的現(xiàn)象，加之工程核心技術(shù)的保密性，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢人員難以深入檢查，在混凝土芯樣鉆取過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)芯樣被人為折斷和嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，從而影響對(duì)大體積混凝土內(nèi)部質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)。因此，應(yīng)給予大壩混凝土取芯作業(yè)合理單價(jià)，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)培養(yǎng)質(zhì)量意識(shí)，強(qiáng)調(diào)混凝土芯樣完整的重要性。質(zhì)檢、班組長(zhǎng)應(yīng)跟蹤檢查鉆機(jī)各項(xiàng)性能是否穩(wěn)定、各項(xiàng)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)是否正常，及時(shí)采取糾偏措施。

（2） 長(zhǎng)芯鉆取盡量采用大口徑。小口徑鉆孔速度快、效率高，鉆桿自重小、剛度低、擺動(dòng)大、鉆機(jī)不

易固定，孔斜控制十分不易，芯樣容易發(fā)生折斷，同

時(shí)會(huì)在不受控制的情況下打斷混凝土鋼筋、儀器和冷卻水管，因此，混凝土鉆孔取芯多選擇150 mm以上口徑，在空間受限的情況下可采取小口徑鉆芯。

（3） 合理選擇鉆機(jī)。大型鉆機(jī)具有自量大、自穩(wěn)性好、扭矩大、鉆孔精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)混凝土取芯完整性和連續(xù)性有優(yōu)勢(shì)。然而，大鉆機(jī)對(duì)場(chǎng)地和交通條件要求高，維修和使用成本高。此外，鉆機(jī)的選型還應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)性能、工程應(yīng)用案例、取芯口徑與長(zhǎng)度要求、施工場(chǎng)地條件、經(jīng)濟(jì)條件等綜合評(píng)估選擇。

（4） 盡量選取單管工藝。雙管鉆具適用于軟弱、破碎巖體，對(duì)于提高巖石鉆芯RQD值有很大優(yōu)勢(shì)。然而，受巖芯管長(zhǎng)度的限制，雙管鉆具反而阻礙混凝土長(zhǎng)芯的鉆取。

（5） 合理選擇適宜的鉆頭。鉆頭表鑲金剛石與孕鑲金剛石各有優(yōu)劣。表鑲金剛石鉆頭不適用于破碎和松散地帶，在非常破碎的巖石中應(yīng)采用出刃較小的鉆頭，即細(xì)顆粒金剛石孕鑲鉆頭。選取鉆頭時(shí)，在考慮鉆進(jìn)效率的同時(shí)還應(yīng)考慮成本；應(yīng)結(jié)合混凝土強(qiáng)度、骨料硬度與強(qiáng)度、可磨性等方面選擇。

（6） 鉆頭帶卡簧可能折斷混凝土芯樣。鉆頭帶卡簧防止芯樣脫落，能提高巖芯采取率，但鉆頭帶卡簧適用于破碎巖體，對(duì)于大體積混凝土不適用，且卡簧反而會(huì)增加混凝土芯樣折斷率，降低混凝土芯單根長(zhǎng)度。在混凝土取芯達(dá)到設(shè)計(jì)孔深，或混凝土芯樣發(fā)生斷裂現(xiàn)象需要出孔時(shí)，應(yīng)更換帶卡簧的鉆頭，以利于芯樣上提。

（7） 轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)根據(jù)混凝土骨料特性、抗壓強(qiáng)度、研磨性等確定。轉(zhuǎn)速高，振動(dòng)大，易加劇芯樣破壞；轉(zhuǎn)速過(guò)低，則鉆速低，時(shí)間延長(zhǎng)。選擇最佳轉(zhuǎn)速，合理操作，可防止芯樣堵塞、自磨與折斷。

（8） 精心規(guī)劃鉆孔質(zhì)量控制。① 孔位應(yīng)精準(zhǔn)，避免打斷鋼筋、冷卻水管及其他儀埋設(shè)施；② 孔徑應(yīng)大，本次取芯孔直徑250 mm；③ 鉆孔應(yīng)深，因?yàn)橥暾?、連續(xù)、表面不受磨損的混凝土長(zhǎng)芯可真實(shí)反映混凝土內(nèi)部質(zhì)量，本次所取長(zhǎng)芯設(shè)計(jì)孔深為30.0 m；④ 垂直精度應(yīng)高，否則鉆孔過(guò)程中發(fā)生的較大偏斜易使鉆桿產(chǎn)生擺動(dòng)，混凝土芯重心失穩(wěn)，應(yīng)力集中部位發(fā)生斷裂和磨損的機(jī)率較大。垂直精度控制是質(zhì)量控制的重點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

楊房溝水電站常態(tài)混凝土長(zhǎng)芯鉆取工作為后續(xù)雅礱江流域卡拉水電站、孟底溝水電站等大壩混凝土芯樣鉆取積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，可供類似工程混凝土長(zhǎng)芯鉆取借鑒。

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