新疆阿爾塔什河床深厚覆蓋層的鉆探研究

李萬逵

(新疆水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆莎車縣城西南約130 km(公路距離)的葉爾羌河中游河段上,地理坐標:東經76°27′25″,北緯 37°57′20″。 如圖1。

圖1 阿爾塔什水利樞紐庫壩址交通地理位置圖

阿爾塔什水利樞紐工程是以灌溉、防洪、改善生態(tài)和發(fā)電為開發(fā)目標的控制性水利樞紐工程。樞紐建筑物有:攔河壩、排沙泄洪洞、發(fā)電引水洞、導流洞、電站廠房及開關站等。本階段壩型有混凝土面板壩和心墻堆石壩兩種,上壩址水庫正常高水位1 820m。最大壩高165 m;水庫總庫容為29.26×108m3,控制灌溉面積39.3×104hm2。電站裝機容量660 MW,年發(fā)電量23.6×108kW·h,屬大(Ⅰ)型一等工程,可作為今后南疆電網中的主導電站。

阿爾塔什水利樞紐工程于1981年初開始前期勘測設計工作,2008年10月完成項目建議書階段的勘察工作,2008年11月展開可研階段的地質勘察工作。

阿爾塔什水利樞紐河床覆蓋層厚94 m,河床深厚覆蓋層的鉆探取芯難,成孔難,判層難,孔內獲取物探參數更難,河床深厚覆蓋層的鉆探工作在此之前始終困擾著工程地質人員和鉆探工作技術人員。

河床深厚覆蓋層鉆探工作中遇到的主要問題是:

(1)河床覆蓋層深厚,在鉆探成果滿足地質要求時,因垮孔、大的孤石變徑次數多,向下鉆探時十分困難。

(2)地下水流速大,加之在相當一部分覆蓋層較為松散,級配差,缺少中間粒徑的條件下,鉆探中漏漿、循環(huán)液漏失十分嚴重。

(3)覆蓋層中存在巨大的孤石,已有鉆孔通過的最大直徑為15.0 m。

(4)地質要求較為全面,取芯鉆孔要求取出盡可能完整的原狀巖芯,獲取物探參數的鉆孔則要求獲取盡可能深的裸孔深度。

1 概 況

1.1 國內外深厚覆蓋層鉆探概述

阿爾塔什水利樞紐工程壩址河床內目前已有的鉆孔和覆蓋層厚度如表1,上壩址可研階段已有鉆孔揭露的覆蓋層最大厚度為93.9 m(ZK33),下壩址已有鉆孔揭露的覆蓋層最大厚度66.88 m(ZK11)。

表1 河床內已有的鉆孔和覆蓋層厚度統(tǒng)計表

目前國內外的水利工程中壩高在40 m以上、覆蓋層厚度大于30 m的水利工程已報道的有30余項,目前國內外覆蓋層厚度最大的水利工程為中國四川冶勒[1],其覆蓋層厚度為420～500 m。國外覆蓋層厚度最大的水利工程為埃及的阿斯灣(ASWAN)水庫,其覆蓋層厚度為225 m。國外在深厚覆蓋層上修建的最大壩高為加拿大的大浩尼(Big Horn),其壩高為150m,其覆蓋層厚度為71 m,小于阿爾塔什水利樞紐工程河床覆蓋層的厚度。國內在深厚覆蓋層上修建的最大壩高為四川瀑布溝,其壩高為186 m,四川瀑布溝水庫的覆蓋層厚度為75m,其覆蓋層厚度比阿爾塔什水利樞紐工程的覆蓋層厚度淺約19 m。

阿爾塔什水利樞紐工程河床覆蓋層94 m的厚度在國內外已有的30項水利工程報道中排在中國河南小浪底水庫之后,位居世界的第11位。位居國內的第6位。

四川瀑布溝水庫壩高為186 m,河床覆蓋層厚度為75m,巖性為含漂卵石、砂層透鏡體;埃及阿斯灣(ASWAN)水庫225 m厚的覆蓋層巖性主要為砂層,壩高達111 m,而阿爾塔什水利樞紐工程河床覆蓋層厚度只有94 m,而且覆蓋層巖性主要為砂卵礫石層。

1.2 河床深厚覆蓋層基本物理力學性質概述

上壩址河床0 m～5.0 m的砂卵礫石層＞5mm的顆粒含量約 75.2%,＜5 mm的顆粒含量約24.8%,砂含量約22.6%,不均勻系數 Cu:324.30,曲率系數 Cc:14.87,干密度2.23 g/cm3～2.26 g/cm3,相對密度Dr:0.7～0.79,密實。室內在天然密度控制下的抗剪試驗成果為:粘聚力 c值為25 kPa～ 52 kPa,平均值為 41 kPa,內摩擦角值為 37.5°～ 40°,平均值為38°。根據室內現有大型壓縮試驗成果,卵礫石層在室內100 kPa～400 kPa壓力下的壓縮系數為0.01,壓縮模量為121.1 MPa。

根據現場試驗成果,河床砂礫石層在4 MPa(相當于壩基的最大荷載)壓力下的變形量僅為2 cm～3 cm左右。試驗所獲得的變形模量為45.7 MPa。

河床0 m～5.0 m的砂卵礫石層的滲透系數 k=1.1×10-3cm/s～6.9×10-3cm/s,為中等透水層。平均剪切波速(Vsm)為409 m/s～429 m/s,深5.0 m處的剪切波速(Vsm)為440m/s～500 m/s,平均為457 m/s,按照《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(SL203—97)[2],場地類型為Ⅰ類(500≥Vsm＞250)。

ZH1試驗點的試驗成果表明,地基容許承載力f0試驗值為500 kPa,建議值為350 kPa～400 kPa。

河床0 m～5.0 m的砂卵礫石層內夾有少量砂層,砂層厚0.2 m～0.3 m,砂層顆粒分析及物理試驗結果表明,不均勻系數Cu=1.1～19.1,曲率系數 Cc=0.12～1.21,定名為級配不良中細砂(SP),天然干密度為1.48 g/cm3～1.78 g/cm3,Dr=0.68～0.79,為密實砂層。ZH2試驗點的試驗成果表明,砂層容許承載力f0試驗值為300 kPa,建議值為150 kPa～180 kPa。

河床5.0 m以下覆蓋層據ZK19和ZK20鉆孔巖芯資料,分別在孔深13.5 m和16 m處巖芯有鈣質膠結小塊;場地地層剪切波波速大于500m/s的深度在4 m～10 m,相應的建筑場地覆蓋層厚度為4 m～10 m(《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2001中的4.1.4),一般地表7.0 m以下的砂卵礫石層剪切波速大部分為 500 m/s～1 300 m/s,已大于 500 m/s為堅硬土;縱波波速7 m以下過渡為2 000 m/s～2 700 m/s,表明地層密實。電阻率 ρ=240 Ω·m～600 Ω·m,部分地段電阻率 ρ=600 Ω·m～ 900 Ω·m。

2 河床深厚覆蓋層鉆探工作中采用的主要方法和技術

2.1 河床深厚覆蓋層取芯鉆孔

2.1.1 取芯鉆孔的要求和鉆探

對于可行性研究階段河床深厚覆蓋層的鉆探要求是取出能滿足對河床深厚覆蓋層的分層、顆粒組成、砂卵礫石層的總體結構特征進行分析的原狀巖芯。

當采用常規(guī)的泥漿跟管鉆進、清水跟管鉆進的鉆探方法時根本不能滿足地質方面的要求。因泥漿跟管鉆進獲取的巖芯基本為泥漿和砂卵礫石的混合物,取出的是完全擾動巖芯,不能直接觀察地層的顆粒組成和其結構,根本不能夠滿足地質方面對地層判斷的要求;當采用常規(guī)的清水跟管鉆進的鉆探方法時,巖芯中雖然沒有泥漿的混合物,但取出的巖芯仍為完全擾動體;做為循環(huán)液的水體已將地層中的細顆粒全部帶走,同樣不能夠滿足地質方面對地層判斷的要求。

為滿足地質獲取巖芯的技術要求,工程地質鉆探方面引進了雙管單動、半合管跟管鉆進的鉆探取芯工藝,同時采用中國成都水利水電建設有限責任公司生產的SM植物膠和KL鉆井粉進行鉆進和保護孔壁及巖芯,使本工程在深厚覆蓋中獲取巖芯的地質技術要求得到良好的滿足。如圖2。

圖2 阿爾塔什水利樞紐工程河床覆蓋層鉆孔巖芯照片

2.1.2 鉆孔巖芯的信息分析

在圖2(a)中,當巖芯半合管被揭開時可清晰地觀察到被鉆覆蓋層的原始狀態(tài)。密實的砂卵礫石層、具有架空結構的砂卵礫石層、何處易產生漏漿清晰地展示在取出的巖芯上。在圖2(b、c)中,被包裹在中細砂層內的卵石被鉆頭清晰地切削了一半,鉆頭在切削卵石的過程中對旁邊的中細砂層沒有任何影響,中細砂層和卵石的分界面清晰可見。也清晰地展示了地層的直觀密實程度和缺少中間粒徑的架空現象。為工程地質人員分析判斷地層的基本顆粒組成,結構形態(tài)提供了清晰、直觀的巖芯樣本。

2.1.3 鉆進過程的信息分析和主要鉆探參數

鉆頭在地下切削卵礫石和中細砂層所需的轉速、壓力和循環(huán)液的流速一般是有較大的差異的。在常規(guī)的鉆進過程中,鉆頭在地下切削卵礫石時將會產生牽引力而擾動中細砂層和相鄰其間的細顆粒。循環(huán)液的流速、流量也是重要的參數之一,如果流速、流量過小,鉆頭在地下切削卵礫石時鉆頭可能被燒掉,而流速、流量過大,就有可能將卵礫石旁邊的中細砂和細顆粒沖掉和帶走。

采用雙管單動、半合管跟管鉆進的鉆探工藝,同時選擇合適的轉速、壓力和循環(huán)液的流速、流量,同時采用SM植物膠和KL鉆井粉進行配置的循環(huán)液鉆進既可獲得照片中的巖芯樣本。對河床深厚覆蓋層在鉆探滿足地質取芯要求時,鉆機鉆進的基本轉速在500～800轉/min(5～6檔),鉆頭轉速較高時,便于鉆頭對卵礫石的切削,鉆機鉆進采用高速時,轉速可在800～1 200轉/min,鉆進效果會更好,但當長時間采用高轉速進行工作鉆進時,可能對鉆機的機械損害較大,而且產生的機械振動也相對較大。

對河床深厚覆蓋層在鉆探滿足地質取芯要求時,鉆機鉆進的工作壓力一般在500 kPa左右,當孔深較大時,鉆具的自重已能滿足鉆進的工作壓力要求,當鉆具的自重壓力超過500 kPa時,要用負壓力進行鉆進。當鉆進工作壓力在500 kPa左右時已接近被鉆地層的極限承載力,便于鉆頭的下切。

對河床深厚覆蓋層在鉆探滿足地質取芯要求時,鉆機鉆進過程中的冷卻、潤滑、護壁液以能向孔口返液即可,流量在47 L/min～52 L/min左右為宜,不同的孔徑其流量不同。

當護壁的套管向下跟進較困難時,可在套管前采用孔內爆破的方式松動套管前的地層,以便套管的跟進,進行該項作業(yè)時必須對套管前緣位置的深度和鉆孔的深度進行準確的計算。

2.2 河床深厚覆蓋層進行物探測試的鉆孔成孔工藝

2.2.1 河床深厚覆蓋層裸孔防塌的鉆孔成孔工藝

河床深厚覆蓋層進行物探測試的鉆孔成孔要求是盡可能深的裸孔深度,裸孔深度越深,越便于物探測試工作的進行,盡可能的保持孔壁的完整和整體性,便于物探側孔和其它測試工作的進行。

在裸孔鉆進過程中防止孔壁垮塌是本次工作研究的重點課題之一,目前國內已有的較好保持裸孔孔壁穩(wěn)定的方法是通過優(yōu)選鉆井液體系,優(yōu)化鉆井液配方,采用優(yōu)質大分子聚合物包被劑,加強鉆井液的包被和抑制性能,采用大、中、小分子聚合物復配,配合適量潤滑劑,改善泥餅質量,調整、優(yōu)化鉆井液流型;通過合理調整泥漿密度,盡量減少壓差,實現近平衡壓力鉆進,維持近井壁帶地層原始壓力系統(tǒng),以解決孔壁的垮塌問題,實現井壁穩(wěn)定的目地。

在裸孔鉆進過程中要求保特鉆場周邊環(huán)境的相對安靜,爆破、強大的機械振動等盡可能避免,以免孔壁的泥餅因振動而脫落,產生井壁的垮塌現象。

對于阿爾塔什河床深厚覆蓋層而言,因其部分深度內地層中常缺少中間粒徑、地下透水量及流速較大、有時起下鉆速度過快、起下鉆次數過多,產生抽吸作用;鉆井周期過長,孔壁泥漿浸泡時間過長,剝落掉塊,使井壁失穩(wěn),孔內垮塌現象時常發(fā)生。采用常規(guī)的鉆探護壁成孔和獲得盡可能深的裸孔深度是極為困難的,該工程采用了多級鉆孔結構,配合多層技術套管護孔的技術措施[3],以能滿足物探測孔的基本分段要求,最終完成了在鉆孔內進行的各項物探測試工作。

在裸孔鉆進過程中,最大單次裸孔深度為35 m,完成物探測試工作后下入套管護孔,再進行下一段的裸孔鉆探。

在裸孔鉆進過程中采用優(yōu)質泥漿進行護孔,在泥漿中加入適量的植物膠、聚丙烯酰胺(PHP),較好地解決了阿爾塔什河床深厚覆蓋層這種復雜地層的護孔問題,保證了鉆孔較為順利的施工。

在裸孔鉆進過程中防止孔壁垮塌方面,主要根據現場情況,從物理和化學兩方面入手,選擇合適的鉆井液密度平衡地層壓力的同時,抑制、封堵相結合[4],以保持井壁的穩(wěn)定性。

2.2.2 河床深厚覆蓋層裸孔防漏堵漏的技術措施

在裸孔鉆進過程中孔內防漏堵漏是本次工作中研究的另外重要課題。在本工程的河床深厚覆蓋層的裸孔鉆進過程中,常有不返液的現象,有時一池漿液在鉆進時10min～20 min即漏光,使得鉆探工作無法正常進行,在嚴重的漏漿段,為封堵漏漿投下的水泥球和粘土球,隨投隨即被地下水沖走,另外,漿液的配制使用了SM植物膠和KL鉆井粉,成本相當高,嚴重漏漿經濟損失很大。

本工程在河床深厚覆蓋層的裸孔鉆進過程中,除了常規(guī)的堵漏措施以外,主要使用了SM植物膠、聚丙烯酰胺(PHP)等,使?jié){液呈粘稠的、拉絲狀、具有較好粘性的膠體狀物體,對一般的漏漿段取得了較好的封堵效果,對嚴重的漏漿段還必須采用套管進行封堵。

3 結 語

(1)為最大限度地滿足工程地質人員所需的地層原狀巖芯,本工程采用了目前國內較為先進的雙管單動半合管、SM植物膠跟管鉆進、及時調整護壁漿液等方法,使得深厚覆蓋層的鉆探工作順利進行。

對于進行物探測井、獲取測井參數的鉆孔主要使用了常規(guī)的泥漿、SM植物膠、聚丙烯酰胺(PHP)護壁、裸孔鉆進→物探測井→跟進套管的循環(huán)作業(yè)方法,順利完成了該項工作。

(2)河床深厚覆蓋層內的部分層位具有架空結構,為卵礫石層,鉆進通過時極易垮塌,地層為強透水層,護壁漿液極易漏失,本工程地質鉆探工作中最有效的防止垮埸孔、孔內的防漏堵漏的方法是快速通過、采用了套管進行護壁封堵。

(3)阿爾塔什河床深厚覆蓋層到目前為止取芯鉆孔和主要的物探測試孔是分別實施的,可獲得豐富的地質信息,但成本相對較高,目前還沒有一孔多用的較為理想的鉆探成孔工藝。對鉆探工作的研究還有待于進一步繼續(xù)進行。

[1] 牟興華.冶勒水電站深厚覆蓋層帷幕灌漿試驗工藝[J].四川水力發(fā)電,1998,17(4):88-90,93.

[2] SL203—97.水工建筑物抗震設計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,1997.

[3] 袁波,王景申,王曉艷.淺議復雜地層施工技術工藝[J].西部探礦工程,2009,(10):75-76.

[4] 陳文俊,何興華,劉海鵬.塔河油田YT2-6H水平井鉆井液技術[J].西部探礦工程,2009,(10):54-56.