楊房溝水電站大壩常態混凝土超長芯鉆取施工技術研究

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性、層間結合緊密程度、骨料均勻性的長芯，以驗證混凝土澆筑質量，開展了超長芯鉆取工藝試驗研究。介紹了鉆孔機具選擇、鉆進參數選取、鉆進過程控制和取芯措施等長芯鉆取施工技術與方法。實踐成果表明：該混凝土長芯鉆取工藝參數與方法合理，并成功取出28.15m超長混凝土芯，提出了施工改進建議。研究成果可供類似工程混凝土長芯樣鉆取借鑒。

關鍵詞：

混凝土； 超長芯鉆取； 施工技術； 楊房溝水電站

中圖法分類號：TV523

文獻標志碼：A

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

文章編號：1006-0081（2023）S1-0030-03

0 引 言

鉆孔取芯是對大體積混凝土質量檢查最直接和有效的手段。超長芯樣直接揭示了混凝土內部原始狀態，直觀反映混凝土密實性、骨料分布均勻性以及澆筑層間結合的緊密性。許多專家及學者對碾壓混凝土鉆芯或是小孔徑鉆芯技術進行了總結和研究。光照水電站大壩碾壓混凝土鉆孔取芯最長芯為15.33 m（直徑150 mm），是當時碾壓混凝土世界領先水平［1］；居甫渡水電站大壩碾壓混凝土鉆取芯長度為13.31 m（直徑150 mm）［2］；羅建鋒［3］分析了混凝土鉆芯與地質巖心鉆取的不同，研究了相關工藝技術；陳俊［4］提出芯樣獲得率和折斷率是評定碾壓混凝土均勻性的重要指標，取出完整、連續的原狀碾壓混凝土芯樣是關鍵。然而，對25 m以上的常態混凝土芯樣長芯鉆取的研究與實踐較少。

本文以楊房溝水電站工程為例，通過現狀調查、工藝試驗以及鉆取過程控制，對大壩混凝土長芯樣鉆取施工技術進行了研究。

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電系統等組成。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；引水發電系統布置在河道左岸，地下廠房采用首部開發方式；電站進水口型式采用岸塔式；引水隧洞采用單機單洞豎井式布置；主副廠房洞長230.0 m，高75.57 m，巖梁以下寬28.0 m、以上寬30.0 m；電站總裝機容量1 500 MW，安裝4臺單機375 MW的混流式水輪發電機組。2020年12月17日大壩混凝土全部澆筑完成，于2021年10月16日全部投產發電。

2 長芯鉆取技術試驗與施工

2.1 工藝試驗

為了驗證長芯鉆取施工工藝的可行性，在混凝土澆筑厚度約10 m的大壩觀景平臺合適位置開展鉆芯試驗。從經濟角度出發，在基于大量調研的基礎上，選取GQ-80型門式鉆機配套粗徑鉆鉆具開展工藝參數試驗。通過試驗，在該部位成功鉆取了直徑242 mm、長度L=8.5 m的混凝土芯樣，初步確定在大壩混凝土長芯鉆取過程中采用轉速為 60～200 r/min，鉆進速度約0.35 m/h，鉆壓高于混凝土抗壓強度5 MPa，采用清水作為沖洗液（冷卻液）且流量控制在40～80 L/min的施工標準。

2.2 長芯鉆取施工

在工藝試驗研究的基礎上，按照規劃的鉆孔位置，在大壩15號壩段壩頂高程2 102 m平臺開展混凝土長芯鉆取技術研究與實踐工作。

2.2.1 準備工作

（1） 為檢查評價楊房溝水電站拱壩已澆筑混凝土質量，提前規劃在3，5，13，15號壩段壩頂鉆取長芯。在澆筑至2 070 m高程時，預埋和焊接14號槽鋼連續垂直向上引作標識，并用Φ32 mm鋼筋或角鋼加固于橫縫模板上，槽鋼安裝埋設位置距橫縫1.5 m、距上游壩面4 m，垂直埋設；壩頂面取芯孔位置在槽鋼下游0.5 m，距橫縫2 m，倉面冷卻水管、儀器、金屬埋件、線纜等布置需避開取芯位置，在倉面設計中精確反映型鋼、取芯位置，每倉由測量人員對槽鋼位置進行校核。

（2） 提前編制專項措施，并組織業內專業人士進行評審和咨詢，使專項措施更具可操作性和可靠性。

（3） 比選論證，結合工程應用案例，選取綜合效益最優的鉆機及鉆具。提前準備各類耗材和加工施工圍欄、支架等。

（4） 抽調經驗豐富的作業隊伍開展輪訓，確保每一名施工人員能熟練掌握操作技能和質量控制要點。

2.2.2 鉆孔機具選擇

（1） 鉆機選型。為獲取完整芯樣，必須保證混凝土芯在鉆取過程中不發生折斷和磨損現象。通過比選論證，最終選用GQ-80型門式鉆機，其最大鉆孔直徑600 mm、最大可鉆取30.0 m深孔，動力頭正轉速度有40，118，218，300 r/min等4個等級、反（正）轉速62 r/min，最大扭矩4 500 N·m、整機重量2 500 kg。上機前調整鉆機立軸動力頭與滑軌間隙，保證鉆進過程平穩。

（2） 鉆具選型。① 鉆桿和機桿的選擇應保證其垂直度及合適長度。為了避免在鉆進時鉆桿擺動和振動幅度大，對鉆機和立軸的穩定不利，應提高鉆具的同軸度，盡量使用粗徑鉆桿鉆進；大鉆桿剛性強、抗彎曲性能好、擺動幅度小、可承受較大扭矩，發生卡鉆、斷鉆概率小。本次選擇直徑124 mm粗徑鉆桿，長度為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生較大偏斜的三大控制指標。每一根鉆桿下鉆前，利用細鋼絲緊附在鉆桿兩端拉緊，用游標卡尺測量鋼管彎曲處最大弦高，計算鉆桿直線度，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 根據所取部位混凝土的特性，確定鉆頭金剛石目數為40～45、JR5級、胎體硬度15°～20°、直徑250 mm。

2.2.3 鉆進參數

（1） 本次取芯采用單管取芯法，為降低混凝土芯在鉆進和拔芯過程中的折斷概率和磨損程度，取芯孔軸向為鉛直方向。

（2） 通過現場觀察與借鑒其他工程經驗，在滿足下列條件時可盡量采用高轉速：孔內沖洗液流暢，鉆具震動小；鉆具有足夠的強度；鉆機安裝牢固，機上鉆桿和孔內鉆桿平直；混凝土完整。

（3） 結合本工程骨料特性、混凝土抗壓強度及抗研磨性等，在工藝試驗的基礎上，將鉆機轉速與鉆進速度分別控制在120 r/min、0.40 m/h左右。

（4） 根據混凝土性、鉆頭性能等綜合選擇鉆壓。結合工程經驗，鉆壓一般高于所鉆混凝土抗壓強度5 MPa左右。

（5） 沖洗液（冷卻液）為清水。高流態、大流速平穩供水，保證孔底石粉、石屑能沖出孔外，防止鉆頭因長期摩擦混凝土發熱及石屑卡鉆而影響鉆機效率和鉆芯質量。流量不宜過大，應控制在60 L/min。

2.2.4 鉆進過程控制

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

（2） 正常鉆進過程中轉速采用中低速平穩鉆進，如出現抖動或過于晃動則應立刻停鉆。鉆進過程中操作人員隨時觀察供水和孔內返水情況及鉆機運轉情況，詳細記錄各類異常情況。升降鉆具過程中，仔細檢查鉆桿、接頭的彎曲和磨損情況，彎曲、磨損嚴重的鉆具應立即更換。下鉆時，不得將鉆具一直放到孔底；離孔底0.2～0.3 m時，用大流量水沖洗孔，慢轉輕壓掃孔，進尺0.2～0.3 m后再恢復正常壓力和轉速。升降鉆具應平穩，禁止不顧孔內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，由專人扶持，以避免因搖擺碰撞損傷鉆頭。

（3） 鉆進功效較低時，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） 每次鉆進結束之后，在起鉆之前應加大給水流量對鉆孔進行沖洗，直至回水澄清為止。保持孔內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取出的過程中易被折斷，鉆孔達到預定深度后，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，用千斤頂協助鉆機立軸頂拔芯樣，使用該水電站纜機緩慢起拔鉆具；孔內鉆具取出孔外后，應首先將芯樣擺放位置找平，在混凝土芯樣從巖芯管內取出之前，先用自由鉗擰卸掉鉆頭；擰卸鉆頭及取芯時，嚴禁重錘或猛擊鉆具，防止芯樣擊打震斷。使用圓木、導鏈將巖芯管內的混凝土芯樣緩慢頂出，也可在巖芯松動后，利用壓力水將巖芯頂出巖芯管，即可獲得長而完整的芯樣。

2.2.6 芯樣吊運與存放

混凝土巖芯吊出鉆孔后，利用30 t纜機吊運至巖芯放置平臺，使用另外一臺纜機和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，應進行水平度檢測和調整。水平度檢測、調整采用水平管進行。

3 取芯成果

通過本次研究與實踐，在楊房溝水電站工程15號壩段頂成功取出直徑242 mm、長度28.15 m的混凝土超長芯樣，其穿過8個澆筑層、7個水平施工縫面、56個澆筑坯層。該成果表明楊房溝水電站拱壩混凝土澆筑質量較高，驗證了混凝土長芯鉆取工藝參數與技術的合理性。

4 同類施工改進建議

（1） 重視培養質量意識。部分施工隊伍存在追求“短、平、快”的現象，加之工程核心技術的保密性，現場質檢人員難以深入檢查，在混凝土芯樣鉆取過程中會出現芯樣被人為折斷和嚴重磨損現象，從而影響對大體積混凝土內部質量的客觀評價。因此，應給予大壩混凝土取芯作業合理單價，同時還應加強培養質量意識，強調混凝土芯樣完整的重要性。質檢、班組長應跟蹤檢查鉆機各項性能是否穩定、各項鉆進數據是否正常，及時采取糾偏措施。

（2） 長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、擺動大、鉆機不

易固定，孔斜控制十分不易，芯樣容易發生折斷，同

時會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。大型鉆機具有自量大、自穩性好、扭矩大、鉆孔精度高等優點，對混凝土取芯完整性和連續性有優勢。然而，大鉆機對場地和交通條件要求高，維修和使用成本高。此外，鉆機的選型還應根據鉆機性能、工程應用案例、取芯口徑與長度要求、施工場地條件、經濟條件等綜合評估選擇。

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

（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采用出刃較小的鉆頭，即細顆粒金剛石孕鑲鉆頭。選取鉆頭時，在考慮鉆進效率的同時還應考慮成本；應結合混凝土強度、骨料硬度與強度、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，對于大體積混凝土不適用，且卡簧反而會增加混凝土芯樣折斷率，降低混凝土芯單根長度。在混凝土取芯達到設計孔深，或混凝土芯樣發生斷裂現象需要出孔時，應更換帶卡簧的鉆頭，以利于芯樣上提。

（7） 轉速的選擇應根據混凝土骨料特性、抗壓強度、研磨性等確定。轉速高，振動大，易加劇芯樣破壞；轉速過低，則鉆速低，時間延長。選擇最佳轉速，合理操作，可防止芯樣堵塞、自磨與折斷。

（8） 精心規劃鉆孔質量控制。① 孔位應精準，避免打斷鋼筋、冷卻水管及其他儀埋設施；② 孔徑應大，本次取芯孔直徑250 mm；③ 鉆孔應深，因為完整、連續、表面不受磨損的混凝土長芯可真實反映混凝土內部質量，本次所取長芯設計孔深為30.0 m；④ 垂直精度應高，否則鉆孔過程中發生的較大偏斜易使鉆桿產生擺動，混凝土芯重心失穩，應力集中部位發生斷裂和磨損的機率較大。垂直精度控制是質量控制的重點。

5 結 語

楊房溝水電站常態混凝土長芯鉆取工作為后續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驗，可供類似工程混凝土長芯鉆取借鑒。

參考文獻：

［1］ 林森.光照水電站大壩碾壓混凝土鉆孔取芯和壓水試驗檢測［J］.貴州水力發電，2008（5）：78-81.

［2］ 賈鵬輝.居甫渡水電站大壩碾壓混凝土鉆孔取芯和壓水試驗［J］.云南水力發電，2009，25（4）：34-35，57.

［3］ 羅建鋒.淺析碾壓混凝土鉆孔取芯施工技術［J］.科技資訊，2010（27）：110.

［4］ 陳俊.碾壓混凝土鉆孔取芯技術漫談［C］//中國水利學會地基與基礎工程專業委員會.第八次水利水電地基與基礎工程學術會議論文集.北京：中國水利水電出版社，2006：607-610.