水利水電施工技術(shù)及鉆探施工的應(yīng)用

周明康

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義556300)

0 前 言

在水利水電的基礎(chǔ)工程中，鉆探施工的質(zhì)量控制是較為復(fù)雜以及系統(tǒng)的過程，其涉及的因素也多種多樣，因此需要對(duì)鉆探施工做好嚴(yán)格控制和管理工作。需要結(jié)合施工工藝技術(shù)以及具體的參數(shù)選擇，采用有效的措施才能使得鉆探這一較為復(fù)雜的施工工藝得到控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的施工目標(biāo)。由此可見，對(duì)水利水電工程鉆探施工技術(shù)進(jìn)行分析具有重要的意義［1］。

1 工程案例簡(jiǎn)述

貴陽市下壩水電站白云巖地層膠結(jié)性差、結(jié)構(gòu)酥松、破碎、強(qiáng)度低、似完整狀等復(fù)雜性特點(diǎn)，結(jié)合勘探目的和現(xiàn)有的技術(shù)裝備、鉆進(jìn)工藝，對(duì)這一復(fù)雜地層的鉆進(jìn)作深入調(diào)查、了解和認(rèn)識(shí)，在鉆探工藝技術(shù)、規(guī)程參數(shù)、機(jī)具材料、沖洗液種類、護(hù)壁及事故預(yù)防與控制等技術(shù)措施方法上，有效提高了鉆進(jìn)效率、取芯質(zhì)量，縮短了勘探工期進(jìn)度，降低了勘探成本，順利完成了所有勘探任務(wù)，取得了較好的勘探成果和經(jīng)濟(jì)效益，這為后續(xù)的其他施工技術(shù)和鉆探施工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，下面對(duì)該工程中的施工技術(shù)和鉆探施工進(jìn)行分析［2－3］。

2 水利水電工程施工技術(shù)的主要分類

2.1 高科技儀器

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，水利水電工程在施工過程中引進(jìn)了很多先進(jìn)技術(shù)，以此提高工程的施工效率，如檢測(cè)、勘探儀器等。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)僅僅只是測(cè)量，所需的人力物力資源較大，且其不確定性較大。而新技術(shù)的應(yīng)用很好地解決了測(cè)量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確問題。由此可見，高科技儀器的應(yīng)用為水利水電工程的發(fā)展帶來了很多發(fā)展的可能［4］。

2.2 計(jì)算CAD 技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)CAD 技術(shù)從應(yīng)用之初就將其定義為應(yīng)用型的軟件，如圖1 所示，與此同時(shí)，在計(jì)算機(jī)不斷的發(fā)展過程中，CAD 技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。多年實(shí)踐證明施工單位將計(jì)算機(jī)與其他技術(shù)相結(jié)合，使得數(shù)據(jù)的獲得更加方便，也保證了工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，提高了工程施工的實(shí)效性［5］。

圖1 CAD 集成系統(tǒng)總體模式示意圖

2.3 GIS 技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

通過應(yīng)用地理信息系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)構(gòu)建工程信息系統(tǒng)，GIS 技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的相結(jié)合有效提高了工程設(shè)計(jì)以及施工的靈活性以及準(zhǔn)確性，如圖2所示。

傳統(tǒng)的工程信息系統(tǒng)通常只是對(duì)工程相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和檢索等等。但是地理信息系統(tǒng)具有三維全景成像模擬功能，全面地展現(xiàn)了施工過程的時(shí)間以及空間關(guān)系，在近乎真實(shí)的情況下展現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)成，為工程的后期實(shí)施提供了依據(jù)［6］。

圖2 GIS 組成部分的一般模式

2.4 鉆探技術(shù)

上述工程中白云巖為一種沉積碳酸巖，主要由白云石組成，?；烊胧?、長(zhǎng)石、方解石和黏土礦物，呈灰白色，白云巖巖層易于破碎的特性，加之巖石風(fēng)化較深，故白云巖普遍存在巖石膠結(jié)性差、結(jié)構(gòu)酥松、破碎，強(qiáng)度值波動(dòng)幅度大等特點(diǎn)。該類地層在鉆探過程中，存在巖芯采取率低、巖芯采取質(zhì)量差、巖芯品質(zhì)不好等問題，利用常規(guī)鉆探工藝技術(shù)，很難達(dá)到巖芯采取規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，鉆探現(xiàn)場(chǎng)布置全面圖如圖3所示［7］。

為了滿足可研階段對(duì)工程地質(zhì)條件查明的深度要求，確保工程勘察質(zhì)量，必須依據(jù)白云巖地層的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有常規(guī)鉆探工藝技術(shù)，尋求滿足勘察成果質(zhì)量要求的特殊鉆探工藝技術(shù)方法。白云巖作為沉積碳酸巖，在鉆進(jìn)過程中，磨擦容易生熱，膨脹系數(shù)較大，尤其在強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化程度的白云巖地層中進(jìn)行工程地質(zhì)勘探，巖石可鉆級(jí)別小于V 級(jí)，巖層結(jié)構(gòu)更加酥松、破碎，巖芯呈粉狀、偶見塊狀，用常規(guī)的硬質(zhì)合金鉆具干法鉆進(jìn)工藝技術(shù)施工，鉆進(jìn)效率非常低，且易發(fā)生孔內(nèi)“燒鉆”及“抱鉆”事故，處理事故輔助時(shí)間較長(zhǎng)，成本加大，鉆進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益較差。微風(fēng)化、弱風(fēng)化的白云巖，仍具有膠結(jié)性差、結(jié)構(gòu)酥松、破碎等特點(diǎn)，造成孔壁不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，只得采取有效的護(hù)壁措施，改善孔壁的穩(wěn)定性，才能獲得正常的鉆進(jìn)進(jìn)尺。

進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí)，又需要保證孔壁的原狀，只有對(duì)已形成有效的護(hù)壁泥皮進(jìn)行破壞和清除才能有效進(jìn)行試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)在高壓水頭作用下，原狀孔壁的不穩(wěn)定性進(jìn)一步加劇，護(hù)壁難度加大。若繼續(xù)鉆進(jìn)，又需要重新進(jìn)行護(hù)壁，工序重復(fù)較多，直到鉆到設(shè)計(jì)孔深［8］。

微風(fēng)化、弱風(fēng)化的白云巖地層，可鉆性級(jí)別V ～Ⅷ，屬堅(jiān)硬巖石地層，鉆探采取的濕作業(yè)法作業(yè)，更加劇了破壞孔壁的穩(wěn)定性，容易發(fā)生“埋鉆”和“卡鉆”事故，給鉆探工程質(zhì)量、鉆進(jìn)效率、進(jìn)度控制帶來異常難度，雖通過合理選用鉆具方法確保巖芯采取質(zhì)量，但若采用常規(guī)鉆進(jìn)參數(shù)，鉆進(jìn)效率很難提高。

圖3 鉆探現(xiàn)場(chǎng)布置全貌圖

3 鉆探施工技術(shù)的應(yīng)用

鉆進(jìn)工藝技術(shù)，單動(dòng)單管硬質(zhì)合金鉆具，輔以無泵反循環(huán)的鉆進(jìn)工藝技術(shù)強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化程度的白云巖，因巖石強(qiáng)度較低，巖石級(jí)別在V 級(jí)以內(nèi)，采用油缸上下給進(jìn)來提動(dòng)鉆具實(shí)現(xiàn)無泵反循環(huán)及擴(kuò)孔鉆進(jìn)相結(jié)合的硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝方法。

為了有效解決常規(guī)硬質(zhì)合金鉆具干法鉆進(jìn)工藝技術(shù)所帶來的鉆進(jìn)效率低，易發(fā)生孔內(nèi)“燒鉆”及“抱鉆”事故的問題，結(jié)合常規(guī)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝技術(shù)，對(duì)鉆具鉆頭稍加改動(dòng)，并配以孔底局部返循環(huán)的鉆進(jìn)工藝對(duì)強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化程度的白云巖地層進(jìn)行鉆進(jìn)。

因巖層較軟，主要靠通過軸心加在合金上的壓力來克取巖石，宦選用稍高鉆壓;為了提高成孔質(zhì)量，獲得較好鉆進(jìn)效率，降低磨擦升溫． 宜選用低轉(zhuǎn)速。為了實(shí)現(xiàn)孔底局部反循環(huán)的功能，同時(shí)因短時(shí)間脫離對(duì)巖石的克取磨擦，起到散熱、冷卻效果，應(yīng)勤提動(dòng)鉆具。這在很大程度上預(yù)防和減少了孔內(nèi)事故的發(fā)生，提高了鉆進(jìn)效率。

這種工藝技術(shù)應(yīng)注意以下3個(gè)要點(diǎn):

1)常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭內(nèi)外出刃為1.0 ～1.5 mm，則巖芯外徑與鉆具巖芯管內(nèi)環(huán)間隙為1.0～1.5 mm。白云巖為沉積碳酸鹽，高溫環(huán)境下，生成用作膨脹劑的氧化鎂和氧化鈣的混合物，這種混合物的膨脹率大。在鉆頭克取巖石及鉆具在巖層中回轉(zhuǎn)，會(huì)因摩擦而產(chǎn)生熱量，使巖芯膨脹，使巖芯外徑與鉆具巖芯管內(nèi)環(huán)間隙不足1 mm，使得巖芯進(jìn)入巖芯管的阻力加大，阻力大于鉆機(jī)帶動(dòng)鉆具獲得進(jìn)尺所克服的阻力時(shí)，造成因“堵鉆”而無法獲得正常進(jìn)尺，被迫起鉆，取出巖芯管內(nèi)巖芯后重新下鉆，增加鉆進(jìn)的輔助時(shí)間。雖然巖芯采取率高，但巖芯擾動(dòng)大、品質(zhì)差，仍然影響巖芯采取質(zhì)量。

采取的措施是:將硬質(zhì)合金鉆頭內(nèi)外出刃增加到2.5 ～3 mm，底刃按分區(qū)破碎方式排列，給巖芯因磨擦生熱產(chǎn)生膨脹留有空隙，巖芯管與巖芯環(huán)狀保持一定的間隙。

2)通過鉆具提起一定高度(一般為0.3 ～0.5 m)，使孔底產(chǎn)生負(fù)壓，鉆具與巖層環(huán)狀的泥漿沿間隙流入孔底，再下壓鉆具，孔底泥漿在壓力作用下，會(huì)沿著巖芯與鉆具內(nèi)環(huán)間隙向上流動(dòng)，形成無泵反循環(huán)，鉆頭在較大壓力，慢速回轉(zhuǎn)狀態(tài)下，克取巖層獲得進(jìn)尺。鉆進(jìn)過程中巖芯一般是連續(xù)不斷的，巖芯擾動(dòng)小、品質(zhì)好，巖芯采取質(zhì)量滿足規(guī)范要求，回次進(jìn)尺可達(dá)0.8 ～1.5 m，鉆進(jìn)效率高。

3)若改變硬質(zhì)合金鉆頭的內(nèi)外刃及底刃，運(yùn)用無泵反循環(huán)及調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)措施后，仍不能有效避免“抱鉆”、“燒鉆”事故，還可采用鉆擴(kuò)結(jié)合的鉆進(jìn)方法。正常鉆進(jìn)的粗徑鉆具在大一級(jí)IZl 徑內(nèi)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)度控制在2/3 左右，增加正常鉆進(jìn)粗徑鉆具的環(huán)狀空間，有效避免事故發(fā)生。

但擴(kuò)孔過程中，值得注意的是一定要加大提動(dòng)鉆具的頻率，否則會(huì)造成“抱鉆、“燒鉆”附加事故。當(dāng)發(fā)生微“抱鉆”、燒鉆事故時(shí)，不要急于處理，停機(jī)10 min后，待巖層及鉆具冷卻后，再開動(dòng)鉆機(jī)，事故就可能得到解決。

通過上述工藝技術(shù)，有效預(yù)防和減少了孔內(nèi)事故，較大地提高了巖芯采取質(zhì)量和鉆進(jìn)效率，大大降低了鉆探成本，并在單位規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利完成了貴陽市下壩水電站現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探工作，為鉆探施工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為施工單位創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié) 語

綜上所述，水利水電工程的建設(shè)需要多種技術(shù)綜合使用，才能保證工程的高質(zhì)量。而鉆探施工是水力水電工程中的主要施工技術(shù)，需要通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控以及檢查，才能保證鉆探質(zhì)量。在鉆探的過程中，需要根據(jù)工程的自然地質(zhì)情況以及施工需求等確立各項(xiàng)參數(shù)，這樣鉆探施工才能取得較好的結(jié)果。

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