金沙江烏東德水電站金坪子滑坡Ⅱ區深厚覆蓋層鉆探技術實踐

李會中, 焦新發, 潘玉珍, 謝實宇, 楊　靜, 郝文忠

(1.長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢　430074； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢　430010； 3.三峽大學 土木與建設學院,湖北 宜昌　443002； 4.長江科學院,湖北 武漢　430010)

0　引言

烏東德水電站是金沙江下游河段四個水電梯級的最上游梯級，壩址位于云南省昆明市、四川省涼山州交界的金沙江干流上，正常蓄水位975 m、總庫容74.08億m3、最大壩高265 m、總裝機容量10 200 MW、多年平均發電量401.1億kW·h，為一等大(Ⅰ)型工程。

金坪子滑坡位于烏東德梯級河段下游右岸，上距烏東德壩址約900 m，距河門口壩址約7.7 km(如圖1)，遙感解譯體積約為6.2億m3，因其扼守于梯級的敏感部位，穩定現狀、變形趨勢及可能失穩方式及規模將直接關系到烏東德水電站梯級開發的成立及河段內壩址的選擇[1]。

前期勘察成果表明：金坪子滑坡不影響烏東德水電站梯級開發，其大致可分為5個區:Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區為第四系堆積體；Ⅰ區為古侵蝕平臺上的第四系崩塌堆積體斜坡，穩定性好，烏東德水電站修建和運行不會影響該區穩定；Ⅲ區為深嵌于金沙江古河槽中的古滑坡堆積體，其整體穩定性好，烏東德水電站的施工和運行僅對其前緣局部斜坡有影響；Ⅱ區上距烏東德壩址2.5 km，主要為崩、殘坡積體，目前仍處于變形之中，但其失穩規模有限，不影響鄰近河段內壩址選擇；Ⅳ區為雄厚的基巖斜坡，Ⅴ區為古金沙江基巖離堆山(如照片1)。

盡管如此，因金坪子滑坡Ⅱ區組成雜(崩、殘坡積體)、厚度大(一般60～100 m，最大約130 m)、體積巨(約2 700萬m3)，且變形仍在發展之中，其對工程影響眾說紛紜，故必須查明其基本地質特征，開展深部位移監測與地下水位長觀，以準確預判其可能失穩方式、失穩規模，正確評價其工程影響，并采取有效工程措施加以防范，以策工程安全[2]。正鑒于此，金坪子滑坡鉆探工作必定是極具挑戰性，因而必須精心策劃、加強組織、認真落實，在確保鉆探取芯質量前提下，配合鉆孔傾斜儀、滲壓計安裝，以開展深部位移監測與地下水位長觀。

1　鉆探工藝設計

鉆探工藝是針對金坪子滑坡Ⅱ區地質特征、基于鉆進取芯困難實際情況而制定，主要包括多層套管分層跟進護壁、金剛石與合金鉆頭結合、植物膠及優質泥漿循環、各類優質高效取芯鉆具配套，等等[3]。

1.1　鉆孔結構設計

金坪子滑坡Ⅱ區覆蓋層厚度較大，鉆孔設計深度多為100 m左右，個別孔深達200余米，終孔要求進入較為完整基巖。鉆孔結構設計為：首先，采用Φ150 mm鉆具開孔鉆穿表土層，下入Φ146 mm套管護壁；再采用Φ130 mm鉆具鉆進至較完整巖層(進入較完整巖層約2 m左右)，隨即下入Φ127 mm護壁管；然后用Φ110 mm鉆具鉆進至孔深中部巖石較硬孔段(進入約3～5 m左右)，隨即下入Φ108 mm護壁管；最后，若孔內巖石完整、孔壁穩定，可用Φ91 mm鉆具鉆至終孔，反之，若孔壁不穩、出現掉塊或坍塌現象，則可考慮下入Φ89 mm套管護壁，再用Φ75 mm鉆具鉆至終孔。

圖1　金坪子滑坡地理位置圖

照片1　金坪子滑坡全貌

1.2　鉆壓和轉速選擇

覆蓋層鉆進應避免盲目依靠大壓力、高轉速來追求進尺效率。由于覆蓋層結構松散、軟硬不均，故鉆壓不宜過大，孔底壓力一般控制在2～8 kN，視孔內巖層軟硬變化加以調整，以保持合理的進尺效率為原則；覆蓋層鉆進轉速一般控制在200～500 r/min，基巖鉆進可控制在450～800 r/min，可視鉆具口徑大小及鉆孔巖層變化情況加以調整，仍應以保持合理的進尺效率為原則。

1.3　沖洗液配置與泵量選擇

沖洗液性能是覆蓋層鉆進中護壁防坍塌及提高巖芯采取率的一個重要因素。全部選擇采用了優質植物膠配制沖洗液，濃度配置為：植物膠為1%～2.5%(即植物膠粉與清水的質量百分比)，加入燒堿為3%～5%(即燒堿與植物膠粉的質量百分比)。每班專人負責配制，并在鉆進循環過程中注意隨時調整保持濃度不下降，這樣既增強沖洗液攜粉能力，保持了孔底清潔和保護巖芯作用，又達到和鞏固了泥漿護壁作用，減少掉塊和塌孔情況，提高了鉆進效率。植物膠配制及使用過程如照片2。

由于覆蓋層結構松散，物質組成中含硬、脆、碎的巖石，泵量的選擇十分重要。泵量小，不能攜帶巖粉；泵量大，巖芯易被沖刷，降低了巖芯采取率，故選擇合理的泵量十分重要。一般選擇30～60 L/min，可視巖石軟硬、巖層變化、進尺快慢、巖粉多少及回水量變化等綜合情況加以調整。

1.4　配套鉆具選擇

針對金坪子滑坡Ⅱ區覆蓋層及基巖特點，先后選擇和試用了下面幾種鉆器具：①雙管雙動內管超前/水壓退芯式鉆具(規格為Φ130/110 mm，Φ110/91 mm，Φ91/73 mm；各口徑均配套薄壁金剛石鉆頭和合金鉆頭)，如照片3。②雙管底噴式、側噴式雙管單動鉆具(規格為Φ130 mm、Φ110 mm、Φ91 mm，并配套適合塊石層、軟硬互層等鉆進的各類金剛石鉆頭)。③單管鉆具(規格為Φ130 mm、Φ110 mm、Φ91 mm，均為投球式取芯)。④雙管半合管式金剛石鉆具(規格為Φ110 mm、Φ91 mm，適用于軟硬互層或軟弱基巖)，如照片4。

照片2　植物膠配制及使用過程

照片3　雙管半合管式金剛石鉆具

照片4　雙管雙動內管超前鉆具

一般情況下，應盡可能選擇使用雙管單動鉆具，這類雙管鉆具的共同特點是內管在鉆進過程中處于不回轉狀態，巖芯進入內管后則受到保護，避免或減少了鉆具對巖芯的振動破壞及沖洗液對巖芯的直接沖刷，而且內管均自帶卡簧，提鉆時能夠自動卡取巖芯防止巖芯脫落，另外半合管式鉆具還可在回次終了提鉆后卸下內管打開半合管直接接觸到巖芯，避免了在敲打取出巖芯過程中對破碎軟弱巖芯的擾動和人為破壞，從而提高巖芯采取率。鉆孔內若遇大塊石、大粒徑的砂卵石或漂石，則可使用單管鉆具與薄壁電渡金剛石鉆頭快速通過。

1.5　取芯方法

為保證覆蓋層取芯質量，有多種取芯方法供選用，主要有：①投珠球干燒取芯(適用于強風化、松軟、泥層等)。②雙管內卡簧取芯(適用于基巖、塊石層、軟硬互層等)。③單管鉆具鉆進、鋼絲鉆頭撈芯(適用于強風化、碎(塊)石等。

2　鉆探過程控制

鉆探過程控制是鉆探工藝設計方案的具體落實，直接關系到鉆探取芯質量好壞與鉆探工作的成敗。在鉆探實施過程中，主要把握以下幾點：

(1)鉆探作業前，必須制定詳細作業計劃，明確操作流程和執行規程，并做好相關設備、器材準備。

(2)以機組為單位，成立QC小組，由機長任組長、班長為骨干，以不斷改進質量、降低成本消耗、提高工作效率。

(3)作業過程中，視地質條件選擇鉆探工藝，嚴格控制單回次進尺，不打懶鉆，遇堵則提，保證巖芯采取率達標或創優，一旦發現巖芯采取率較低，即采取有效措施予以糾正。

(4)重視精心操作環節，合理配備鉆具與選擇壓力、轉速和水量等鉆進參數，注意調節和保持沖洗液性能正常，并應隨時根據孔內情況變化及時做出必要調整：① 當鉆孔逐漸加深、鉆具自重大、巖石結構松散又較軟時，應盡量使用雙管單動鉆具，配置底噴式金剛石鉆頭進行減壓鉆進。② 當遇特別軟弱夾層時，應采用半合管或薄壁鉆具減壓鉆進，施以低轉速、減壓力、中等泵量等參數進行鉆進。③ 當孔內沉淀多、阻力大時，應采取少鉆多撈方式，保持孔內清潔。④ 若孔內漏失嚴重，出現孔口返漿量減少或不返漿時，應注意及時堵漏，不宜長時間頂漏鉆進，否則易導致孔內事故發生。⑤ 覆蓋層采用雙管鉆進，回次進尺低，巖芯容易在短節管或卡簧座內堵塞，若遇巖芯堵塞，可采取適當提動鉆具、改變轉速等處理方式；若處理無效時，應立即提鉆。⑥ 鉆孔能否變徑、是否封孔或下套管，要視鉆孔深度、巖層變化、孔內狀況等情況綜合分析，研究后再按步驟進行，以免造成后續工作受阻或導致孔內事故發生。

3　質量效果分析

在金坪子滑坡Ⅱ區松散堆積層最大厚度達130 m以上，鉆進過程中難免會遇到復雜地質情況，若處理不當，必然會出現掉塊、塌孔、卡鉆等問題，這不僅會影響鉆探進度，而且會影響鉆探質量，只有通過精心策劃、加強管理、嚴格操作、迎難而上，方能取得巖芯采取率達標與鉆探的目的實現。

(1)針對水源缺乏、覆蓋層深厚等情況，采用水泥封孔、植物膠護壁、裸孔鉆進、嚴控進尺等措施，取得圓滿成功，平均巖芯采取率除JZK31巖為72.13%外，其余均在76.73%～98.16%之間，實現了巖芯采取率全面達標或創優，如照片5、表1所示。

照片5　金坪子滑坡Ⅱ區鉆孔巖芯代表照片

(2)金坪子滑坡Ⅱ區共完成鉆孔14個、進尺1 636.32 m(其中覆蓋層1 118.43 m)，全面揭示了Ⅱ區地質結構與物質組成(自下而上)：①古沖溝堆積。主要為碎石、碎屑夾砂層，局部明顯韻律特征，大部呈砂礫石層及塊石砂礫石混雜堆積，大塊石架空區有砂礫石呈囊狀分布，屬強透水性。如照片5-a。②殘坡積層。主要為紫紅色、灰黑色千枚巖碎屑土，結構稍密—密實；底部為褐紅色含碎屑粘土，結構緊密，呈硬塑狀，該層粘土礦物(伊利石、蒙脫石和綠泥石)含量較高，占55%～75%，屬微—弱透水層。如照片5-b。③崩坡積層。主要為塊石碎石土，結構松散，從前緣至后部，層厚漸增，其中塊徑大于20 cm的塊石約占20%～30%，其原巖成份主要為白云巖、硅質白云巖等，結構松散，有架空現象，屬極強透水層。如照片5-c。

(3)配合安裝傾斜儀、滲壓計3個鉆孔、地下水長觀12個鉆孔(PVC管)，并采用多種洗孔方法(刮孔、刷孔、清水置換泥漿植物膠等)，為鉆孔彩電測試創造條件，并確保了彩電效果。

表1　Ⅱ區鉆孔鉆進取芯情況與揭露地質結構統計表

4　結語

金坪子滑坡Ⅱ區組成雜、厚度大、體積巨，且變形仍在發展之中，因而鉆探工作極具挑戰性。根據現場實際情況,系統總結以往經驗教訓，通過鉆探工藝設計、嚴格過程控制，有效提高了鉆探取芯質量，完成了大量的鉆探及配合實物工作，為查明金坪子滑坡Ⅱ區地質特征、開展深部位移監測與地下水位長觀，進而準確預判其可能失穩方式、失穩規模并正確評價其工程影響、開展防治措施研究奠定了重要基礎，可供類似工程勘察所借鑒。

參考文獻：

[1]薛果夫，李會中，王團樂，等.金沙江烏東德水電站預可行性研究金坪子斜坡工程地質專題報告[R].武漢：長江勘測規劃設計研究院，2005.

[2]李會中，王團樂，黃華，等.金坪子滑坡Ⅱ區地質特征與防治對策研究[J].長江科學院院報，2008，25(5)：16-20.

[3]李會中，郝文忠，向家菠，等.金沙江烏東德水電站壩址河床深厚覆蓋層勘探取樣與試驗研究[J].工程地質學報，2008，16(6)：202-207.