復雜地質條件壩基帷幕灌漿鉆孔成孔質量控制

尹 安 紅， 王 文 學

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

JC水電站是雅魯藏布江中游河段規劃的第5級電站電站，下游為冷達水電站。電站位于西部高原某縣境內，距下游縣城約5 km，距省會城市直線距離約140 km，有省道從工程區通過。開發任務為發電，電站采用河床式開發方式，主河床布置5個溢流表孔。電站總裝機容量360 MW，水庫正常蓄水位3 246 m。

壩址區所在河段兩岸山體雄厚，河谷深切但開闊，為“U”型寬谷， 壩基巖性為變質砂巖、碳質板巖和少量硅質砂巖，碳質板巖具有板狀結構、是一種變質巖，原巖為泥質、粉質或中性凝灰巖，沿板理方向可以剝成薄片。

碳質板巖是低級變質巖，因其原巖主要是含碳質泥巖或頁巖，變質程度又低，所以，巖石力學抗壓性能差，性脆。巖石本身容易破碎，板理面容易含水而滑塌，含碳質增加了其潤滑性，水對碳質板巖的強度影響很大，鉆孔沖洗液的壓力，流速都會導致泥化，造成鉆孔發生偏差?？仔逼钸^大，需及時糾正或采取補救措施，否則，無法保證帷幕灌漿的質量。

2 影響成孔質量的主要因素[1]

在帷幕灌漿鉆孔施工時，由于各方面的原因，鉆孔方向與設計要求會發生偏差。如果偏差太大，會對鉆進質量、效率等產生影響，也會影響帷幕灌漿的質量和防滲效果。成孔質量的影響因素主要包括三個方面：第一是地質條件及巖石巖性的影響；其次是鉆孔施工工藝、參數及操作手水平的影響；第三是鉆孔設備的性能和設備選擇等。在鉆機鉆孔過程中，如果不能控制協調好各種因素，很容易導致鉆孔彎曲，影響鉆孔質量。

2.1 地質條件及巖石巖性

由于巖石的各向異性，使鉆桿在鉆進過程中出現受力不平衡的情況，導致鉆桿發生一定角度的偏斜甚至彎曲，造成鉆孔偏斜，影響鉆進效率。

由于在不同的層理結構上表現出不同的強度性質，在鉆進這種巖石層時會增大鉆進工作量。泥巖、頁巖地層的巖石強度、硬度、脆性及水溶性等性質復雜多變，層理、片理發育，地層產狀變化極大，極易影響鉆孔施工。例如，當巖石的層理方向與垂直于層理方向的硬度比較大時，很容易導致鉆孔發生大的彎曲。

2.2 鉆孔工藝及參數、操作手水平影響

不同的地質地層和巖石巖性，具有不同的巖石特點，因此，需要選擇合理的施工工藝和鉆孔參數，減小鉆孔孔壁和鉆具之間的間隙，減小孔內鉆桿彎曲，減小鉆具的傾斜。當鉆進時壓力過大，會造成鉆桿彎曲，繼而導致鉆孔發生彎曲；當鉆機轉速過高，造成鉆桿回轉離心力增大產生橫向振動，繼而導致鉆孔孔徑、孔壁間隙增大；當鉆機鉆進過程中遇到泥巖、頁巖等軟巖，使用的沖洗液量大，會將鉆孔孔壁沖壞，致使鉆機卡鉆、埋鉆。同時，鉆進過程中也應積極采取有效的預防鉆孔偏斜措施和相應的糾偏措施加以控制。而高水平操作手在鉆進過程中能及時準確地做出孔內鉆進情況，會根據鉆機數據的變化及時調整鉆進壓力及速度等，避免鉆孔偏斜逐漸增加，從而保證成孔的質量。

2.3 鉆機選擇及設備性能

帷幕灌漿中，鉆孔設備需根據灌漿孔設計深度、鉆孔結構、鉆孔角度、巖層條件、地質情況、及鉆進方法選擇。鉆機型號的選擇、鉆機設備的功率、鉆孔精度、鉆進速度和設備故障率也是影響鉆孔成孔質量的直接因素。

3 鉆孔試驗

鉆孔的質量是保證帷幕灌漿質量的基礎，要確?？咨睢⒖紫?、孔位符合設計要求，力求孔徑上下一致，孔壁平順，鉆進過程中產生的巖粉細屑較少[2]。

3.1 孔斜設計控制指標

根據《帷幕灌漿施工技術規范》要求，帷幕灌漿孔進行孔斜測量。對于孔深小于60 m的帷幕灌漿孔，當孔向垂直或頂角小于5°時，孔底偏差不得大于表1的規定。

表1 帷幕灌漿孔孔底允許偏差表[3]

孔深大于60 m時，孔底最大允許偏差值可根據工程實際情況確定，但不宜大于孔距值。發現鉆孔偏斜值超過規定時，應及時糾正或采取補救措施。

3.2 鉆孔試驗出現的問題

進行鉆孔試驗時，由于沒有對工程地質資料和水文地質資料進行仔細分析、研究，對地層、巖性沒有充分了解，在進行鉆孔試驗時，管理和施工工藝方面都出現了一系列問題，主要表現為以下幾方面：

(1) 鉆機安裝就位后，用水平儀進行校正，但沒有對鉆機采取有效加固措施就進行鉆進，導致鉆進過程中鉆機出現小幅度擺動，造成鉆孔孔斜出現偏差，無法控制在技術要求范圍之內。

(2) 鉆進時，根據常規金剛石鉆孔工藝要求，采取高轉速、低鉆壓進行鉆孔施工。當鉆機平穩、孔內鉆具無大幅度擺動時，盡量使用最高轉速鉆進。但由于壩基巖性復雜，在鉆進過程中，突然遇到較軟巖石后，鉆具、鉆桿會在孔內擺動并碰撞孔壁，會造成孔壁發生坍塌，孔徑變大、孔內沉渣淤積過大[4]。

(3)鉆孔時鉆壓過大造成的孔斜偏大。鉆孔時，依舊采用常規金剛石鉆孔鉆壓0.8 ～1 MPa,沒有充分考慮碳質板巖與硅質巖交替出現的情況，由于巖層軟硬不均勻、反復變化、交替出現，因為施工區巖層變化，巖層硬度也在不斷變化，在鉆孔時鉆頭容易往硬度低的方向偏斜，同時鉆進過程中沒能及時準確地根據孔內鉆進情況及時調整鉆進壓力導致鉆孔偏斜。

(4)由于沒有充分考慮到碳質板巖的特性，孔冷卻時沖洗液壓力、流量過大，反復對孔壁沖蝕造成孔內坍塌嚴重并出現大粒徑沉渣。

(5)壩基帷幕灌漿孔最深60 m左右，鉆進2～3 m，每一個回次鉆進長度較大，使孔內沉渣多。

(6)施工空間限制通常導致所用粗徑鉆具不會太長，從而使粗徑鉆具失去導向作用而發生鉆孔偏斜過大。

4 帷幕鉆孔成孔質量控制

鉆孔成孔質量是保證灌漿質量的先決條件，同時，成孔效率也影響灌漿進度。根據前期鉆孔成孔試驗出現的問題，為保證在特定地質條件下的成孔質量和提高成孔效率，在鉆機就位固定后，鉆孔施工采取了以下方法進行控制。

(1)根據鉆孔深度的的實際情況配置鉆機。30 m以內孔深的鉆孔采用XY-2pc鉆機進行鉆孔施工，該機重量輕、體積小。超過30 m深度的鉆孔采用XY-2鉆機，XY-2型液壓地質鉆機調速范圍廣，既能滿足小口徑金剛石鉆進的高轉速，又能滿足大口徑硬質合金鉆進，且鉆機體積小，質量輕，解體性能好，便于搬運，能滿足成孔質量要求[5]。

(2)為保證孔壁成形和所鉆取芯樣完整，減少孔內沉渣過多而影響灌漿質量，將鉆孔壓力適當降低至0.4～0.6 MPa。大于60 m的深孔需采用減壓鉆進，鉆進速度控制在1.2 ～1.5 m/h。

(3)將鉆孔冷卻沖洗水壓力降低，流速減小，避免因水壓、流速過大對孔壁反復沖刷，造成沖蝕破壞而坍塌，減少孔內沉渣量，保證灌漿段長，從而達到保證灌漿質量的目的，沖洗水壓力和流速以孔口出水量能帶出鉆孔產生的巖粉為宜。

(4) 為減少鉆孔時鉆具、鉆桿的擺動對孔壁造成敲擊碰撞破壞及對芯樣的碰撞損壞，鉆進時適當降低鉆孔轉速確?？妆诔尚危@孔轉速應控制在0～350 r/min。

(5) 增加鉆孔回次，在破碎、坍塌、軟巖、沉渣過多的情況下增加鉆孔回次。每一個鉆孔回次進尺縮短至0.5 m為宜，鉆機轉速、鉆壓均隨著降低，從而避免因鉆進時間過長而引起巖芯過度磨損，造成孔內沉砂過多影響灌漿質量。

(6) 為減少鉆進過程中粗徑擺動碰撞孔壁引起的孔壁坍塌、孔壁失去對粗徑鉆具約束而出現孔斜過大等問題，將前期因施工空間限制采用的長度為2.5 m的粗徑鉆具增長至5 m,兩端頭加裝擴孔器以防止鉆具過度磨損。同時，利用擴孔器水槽排出巖粉和冷卻水防止燒鉆、埋鉆，每一次下孔的鉆具均安裝撈砂管將每一回次的沉渣取出，保證孔內沉渣滿足設計要求。最終，達到控制孔斜的作用，以保證灌漿孔質量。

5 結 語

帷幕灌漿是一種高效的防滲施工技術，在水電站建設中得到廣泛的應用。作為帷幕灌漿施工中一道工序，鉆孔對于帷幕灌漿的質量起關鍵作用。對于復雜地層的鉆孔施工，在灌漿鉆孔施工前，應充分了解掌握地質資料及巖石地層的巖性、各向異性以及完整程度等特征，提高鉆機操作人員的技能水平和現場管理水平等，合理選擇鉆機、鉆具和鉆進方法，同時，還要根據鉆進過程中的孔內地質變化情況適時調整鉆機壓力和速度以及沖洗液的類型和流量等，從而保證鉆孔的成孔效率和質量，為保證灌漿質量打下基礎。