金沙江其宗水電站上壩址深厚覆蓋層鉆進工藝探討

王光明,陽正強,熊德全,張正雄

(中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院,云南昆明 650031)

金沙江其宗水電站上壩址深厚覆蓋層鉆進工藝探討

王光明,陽正強,熊德全,張正雄

(中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院,云南昆明 650031)

其宗水電站屬峽谷區修建的高壩、大庫,最大壩高達 358 m左右。深厚覆蓋層的鉆探取樣是了解其成因及工程地質特性的必需手段,也是水電水利工程地質勘察工作的重要手段。由于覆蓋層厚度大,組成物質分選性差,給鉆探取心工作帶來了困難。而取心質量直接關系到工程地質勘察資料的準確和詳實。通過特殊鉆具及 S M植物膠鉆井液的運用,提高了深厚覆蓋層取心質量。結合其宗水電站的工程實例,對該地區深厚覆蓋層鉆進與取心工藝進行了探討。

深厚覆蓋層;鉆進工藝;S M植物膠;護壁;其宗水電站

1 工程概況

其宗水電站位于云南省迪慶州與麗江市交界的金沙江河段上,為金沙江中游河段比選的龍頭水庫。電站初擬正常蓄水位高程 2150 m,壩前壅水高度達270余米。水庫回水至德欽縣中榮上游的雷堆河口附近,庫長約 165 km,總庫容約 177.37×108m3,為金沙江中上游河段具年調節性能、對金沙江下游甚至長江的防洪將會發揮極為重要的作用、并具滇中調水功能的龍頭水庫[1]。

其宗水電站屬峽谷區修建的高壩、大庫,最大壩高達 358 m左右。對河床深厚覆蓋層的利用與處理,關系到工程的安全與經濟,對壩址、壩型選擇,樞紐布置方案,工程安全及造價等均有重大影響。樞紐區河床及階地分布厚達 60～140 m深厚覆蓋層,其成因復雜,包括沖積、洪積、冰積、滑坡堆積和崩積等多種成因,對樞紐工程的影響極大,是其宗水電站樞紐區的重大工程地質問題之一[2]。為了查明水工建筑物的地基,特別是要查明構造帶(包括斷層、擠壓帶及節理等)、巖石裂隙發育程度、覆蓋層、互層、夾層、薄層、淤泥(特別是軟弱夾層、泥化夾層)、充填物、溶洞等地質及水文地質條件,除需要取出完整的巖心或原狀樣進行分析判斷巖土的類型、成因、工程特性、結構、構造、成分等,還需進行水文地質觀測與試驗(如抽水試驗、壓水試驗、注水試驗等),以獲取第一性地下水文地質資料,為建筑物基礎的工程地質評價提供可靠的依據。

其宗水電站 ZK115號孔位于其宗上壩址尾水渠,即金沙江左岸階地上,孔口高程為 1918 m,設計孔深 150 m,鉆孔為鉛直孔。該孔覆蓋層成因為河流沖積,根據巖心編錄資料,其巖性為卵礫石層,約間隔20 m左右夾有直徑1～2 m漂石,為次圓狀、圓狀磨圓,密實性差,無膠結,基巖主要為泥盆系下統(D1)和中統 (D2)的條帶狀、角礫狀結晶灰巖、白云巖,千枚巖、千枚狀板巖,碳質板巖及大理巖等。

覆蓋層的組成、結構、膠結密實程度、地下水等地質、水文條件決定了鉆孔取心、護壁的難易程度。由于其宗水電站河床及階地覆蓋層主要為第四系的沖積、洪積、冰水堆積、湖相堆積及滑坡、崩塌堆積等,成分為含塊(漂)卵礫石層夾砂及含塊碎石粘土層。組成物質顆粒級配差,分選性差,較松散,膠結弱,取心難度很大。這直接導致取心困難,甚至在鉆進過程中出現巖心隨鉆具轉動的現象,卡埋燒鉆等孔內事故發生概率大,磨鉆頭,造成鉆探成本增大,鉆進效率低下。地層的穩定性和完整性,決定了地層的鉆進難易程度。深厚覆蓋層鉆進表現在鉆進、護壁、取心比普通地層困難得多。為了提高深厚覆蓋層鉆進效率,降低鉆進成本,對鉆進過程中碰到的問題進行分析、總結,具有重要的經濟和實踐意義。

2 深厚覆蓋層常規鉆進工藝

深厚覆蓋層指的是在河床及階地上基巖上覆蓋著由無膠結的砂礫石層及含大粒度的礫石、漂石、塊石以及砂和粘土等組成的地層。覆蓋層鉆進過程中,其地下水活動十分強烈,并攜帶大量細顆粒流砂進入鉆孔內。

跟管方法一般有常規下套管 (即吊錘錘擊)、鉆具跟管(包括同心和偏心鉆具跟管)等方法[3]。

2.1 深厚覆蓋層常規鉆探方法

深厚覆蓋層通常用硬質合金(也包括近年剛投入使用的復合鉆頭)鉆進,硬質合金鉆進主要用于巖石為中硬地層中,鉆進中壓力、轉速、沖洗液量的控制是基本參數。鉆孔孔徑通常為 “146、127、108、91和 76 mm,鉆具可用雙管及單管兩大類;單管鉆具有球閥式和普通單管鉆具;雙管有雙管雙動及雙管單動鉆具兩類。覆蓋層中鉆進,由于地層松散,鉆孔護壁、固壁是順利鉆進的關鍵。使用常規鉆進方法,一般固壁采用跟進套管的方法,常用套管口徑有“273、219、168、146、127、108、89、73和 59 mm。松散地層或卵礫石粒徑不大地層,可憑借外力 (吊垂)砸管跟進。在其宗水電站上壩址的河灘、河中及階地鉆孔,因砂卵石覆蓋層中沖積有大量的大粒徑的漂礫和孤石,主要用泥漿與植物膠沖洗潤滑護壁配合金剛石半合鉆具先鉆進取心后跟管,對超過大套管直徑的孤石,套管很難通過的,采取孔內小藥量爆破的辦法,將孤石炸裂,再打入大套管通過;當孔深較深而又必須繼續跟管,對常規孔徑套管一般采用植物膠與泥漿混合使用進行護壁半合雙管金剛石鉆具鉆進取心,根據覆蓋地層地質結構及孔壁穩定情況綜合考慮,一般植物膠泥漿護壁裸孔深度 30～50 m后,待原位測試試驗進行完畢后才跟進套管[2]。

2.2 鉆孔護壁堵漏

2.2.1 護壁堵漏方法選擇的原測

護壁堵漏是鉆孔成孔的關鍵因素,通常護壁堵漏有鉆井液、固結材料和套管 3種護壁措施。針對深厚覆蓋層特征和鉆探鉆井液理論,所采取護壁堵漏應滿足以下幾條原則[4]:

(1)不破壞地層原有結構、構造; (2)確保孔內的原位測試試驗; (3)有利于取心和起下鉆; (4)經濟適用。

2.2.2 應解決的問題

護壁堵漏在遵循以上原則的基礎上,應解決鉆進過程中存在的以下問題:

(1)原始力學平衡狀態發生改變,巖層極限強度不能抵制內部所發生的應力狀態變化;

(2)塊(漂)石、礫石間有破碎、架空現象;

(3)水對巖層的水化和沖刷等作用;

(4)鉆具對孔壁的摩擦和碰撞作用。

2.2.3 護壁封漏鉆井液的選擇

根據鉆探鉆井液理論和實踐經驗分析,植物膠成為覆蓋層取心鉆探優先選取的材料。植物膠是天然多糖類支鏈型高分子材料,用水溶脹后形成體型網狀結構,在心樣表面吸附形成膠膜,防止水份滲入和穿透,避免液化和崩塌,因此也避免巖心被沖刷,起到隔水的作用。濃度越高,網狀膠膜越厚而密實,因而護心、護壁的效果好。同時這種粘彈性膠體在砂樣和軟弱巖土心表面及一定深度的表層具有膠結作用和粘彈性強度,抵抗鉆具的振動引起的破壞,保持原狀結構。在深厚覆蓋層小口徑可開 500～800 r/min轉速。金剛石鉆進需要高轉速才可能高效率,進尺快,減少巖心在鉆頭處被沖刷的時間,有利于提高取心質量。實踐證明,松軟地層和軟弱巖土層鉆進進尺很慢時,取心效果就不好。同時,鉆具旋轉平穩,振動小,也減少了鉆具對巖心的機械破壞作用,有利于提高取心質量。

根據本單位前期勘探工作經驗,采用吊錘錘擊跟管,并結合鉆進情況,采用泥漿與 S M植物膠沖洗潤滑護壁。

2.3 深厚覆蓋層鉆進過程中存在的問題

2.3.1 容易發生孔斜

由于套管管靴下沉依靠套管本身自重及吊錘施加到管帽的沖擊力,吊錘下降過程中,在與管帽的能量轉化中,在面上受力不一定均衡,極有可能導致套管偏斜。因此,在鉆進過程中,應及時用水平尺測量套管是否垂直,如偏斜,需立即采取補救措施。

2.3.2 取心困難

覆蓋層主要為第四系的沖積、洪積及堆積物,組成物質以含塊(漂)卵礫石層夾砂、粉砂層透鏡體含塊碎石粘土層。砂卵石覆蓋層,在自然狀態下密實,無膠結,松散堆積,鉆進過程中,卵石、礫石間相互摩擦,甚至與鉆頭一起轉動,而卵石、砂一經鉆進就成散體狀,如用常規工藝技術和工具,取心困難。而在某些層位,為無細顆粒、粘土充填的均勻礫石層,只能取出擾動的巖心,巖層的結構已被破壞。因此,必須采用相應措施,滿足取心質量要求。

2.3.3 巖心重復破碎嚴重

水電鉆探對取心要求高,需要保持巖層的完整性。其宗水電站深厚覆蓋層由于卵石、塊石間無膠結,鉆頭在碰到直徑大的卵石時,鉆進初卵石與鉆頭一起轉動,當鉆頭對卵石的壓力大于其極限強度時,卵石被擊碎,隨著進尺加深,巖層的原始結構被破壞的越嚴重,甚至于在起鉆過程中,出現掉心現象。而在多次打撈過程中,巖心被多次破碎,這給地質人員分析巖層結構、構造、分選性帶來了困難。

根據文獻[5]中鉆孔質量標準要求,巖心優級應達到“砂卵礫石分層取樣,保持原始級配,均質砂層的樣品能保持原始結構”。良級應滿足“砂卵礫石層,粗顆粒能取出,部分細顆粒被沖掉,均質砂層樣品基本能采取”。

2.3.4 套管下移成孔摩擦阻力大

根據套管在鉆進過程中的空間狀態及與孔壁的接觸關系,套管摩擦阻力來自以下幾個方面的約束[3]:

(1)規則孔壁下套管重力與孔壁下沿的正常摩擦阻力(相對均勻);

(2)由于地層松散,在鉆進振動下孔壁間隙縮小增加的夾持阻力(不均勻);

(3)鉆孔彎曲引起套管變形的附加摩擦阻力(不均勻);

(4)擴孔過程中形成的孔壁不規則引起的夾持阻力(不均勻);

(5)連接套管之管箍直徑通常比套管大,管箍下沉過程中,下伏卵礫層對其有向上阻力。

2.3.5 沖擊次數與壽命

本次選用吊錘沖擊跟管鉆進,當吊錘沖擊管帽時,如果套管外部摩擦力能被克服,又有足夠的空間讓管帽向下運動,那么管靴繼續鉆入成孔。在既有材質、加工工藝和熱處理條件下的管帽是足以滿足單孔的跟管深度要求的。但問題在于在實際鉆進過程中,跟管鉆進到一定深度以后管帽后部與孔壁的摩擦力約束了管帽單次沖擊的下行位移量,單次沖擊功不足以完成管帽的一個自由行程,從而使吊錘和管帽沖擊臺階每兩次接觸間隔時間大大縮短。由于任何材質、加工工藝和熱處理工藝所確定的管帽的沖擊疲勞破壞極限是相對穩定的,如果以一定數量的沖擊次數作為其壽命的指標,沖擊頻率一定,單次沖擊進尺下降,自然地套管反映在成孔深度上的壽命也就降低。要使成孔深度上的壽命指標提高,只有增加套管跟進過程中每兩次導正器沖擊管帽的時間間隔或單次沖擊自由行程[6]。

要提高兩次沖擊的時間間隔或管帽單次沖擊行程,必須減少套管的摩阻力以降低單位跟管進尺的沖擊次數,從而降低單孔沖擊的總次數。由于導正器沖擊臺階、管帽沖擊臺階疲勞壽命是由材質、熱處理工藝等決定且相對穩定的,所以提高兩次沖擊的時間間隔或管帽單次沖擊行程,就會降低單位跟管進尺的沖擊次數,也就提高了整個套管壽命期的跟管深度。

2.3.6 起管困難

由于砂礫石松散覆蓋層較深,地層無膠結,容易坍塌、掉塊,取心必須在套管內完成,因此,套管必須跟管到基巖面。鉆孔深度達到任務書要求后,做完所要求的抽水試驗、注水試驗,需要按套管口徑從小到大取管,加之目前套管交界處以管箍連接,在取套管時,套管周圍的覆蓋層不但在側向上對套管有阻力,在垂直方向上,也有向下方向的力作用于套管,如碰到較大的孤石卡在接頭處,套管就很難取出,甚至于舍去部分套管,這將造成很大的經濟損失。

3 ZK115號孔施工實例

3.1 準備工作

組織機組人員認真學習鉆孔任務書,明確鉆探要求、目的及注意事項;總結類似工程工作經驗,分析技術難點,確定質量控制點;編制單孔作業計劃書,確定進度節點及安全管理點;根據單孔作業計劃書,確定設備、管材和物資;進場道路、鉆場的修整;設備搬遷、安裝,水路、電路的架設等工作。

3.2 開孔下定向管及套管護壁

開孔時,為了保證 “273 mm管鉛直,先用人工開挖小凹坑,然后固定帶管靴的 “273 mm套管,用吊錘錘擊至一定深度后,用 “150 mm硬質合金鉆頭撈取巖心至管靴。

跟進套管時應勤打管、勤校正、勤擰管、勤上扣,避免把套管打歪而導致套管事故。套管跟入深度視地層條件和孔深決定,當一級套管不能滿足揭穿覆蓋層時,應考慮二級或三級套管,每一級套管下入深度應充分考慮下入套管及起拔套管的難易程度,否則超長套管容易出現起拔困難、脫扣和拔斷等事故。ZK115號鉆孔 “273 mm套管用吊錘打至 18 m,“219 mm打至36 m,“168 mm打至60 m,60 m以深至基巖埋深采用 SD系列雙管單動金剛石鉆具進行鉆進和取樣。

3.3 S M植物膠減振鉆井液的制備

S M植物膠鉆井液具有減振、護壁、護心作用,同時具有流變性,在前期深厚覆蓋層勘探中效果明顯。

S M植物膠鉆井液的制備應根據地層巖性選用相應的配方,根據以往工作經驗,在 ZK115號孔的鉆進中采用如下配方:

S M植物膠干粉 (kg)∶水 (L)=(2.5～3)∶100;Na2CO3按 S M植物膠干粉質量的 5%添加。

漿液制備:首先將 1/3罐清水加入立式攪拌機中,并向水中一次加入所需的碳酸鈉,高速攪拌使之溶解,同時將 S M植物膠粉一次倒入攪拌機中,高速攪拌 5 min,當植物膠全部分散無結塊后,將水加滿,繼續攪拌幾分鐘混合均勻后放入貯漿池中靜止浸泡 8～10 h,待全部溶解即可使用[7]。

3.4 回轉鉆進取心

采用 XY-2型鉆機,配 395型柴油機;SGZB-3250型泥漿泵 3臺;0～60 m采用吊錘錘擊跟管護壁鉆進,當孔深大于地下水埋深以后,為避免推移質、懸移質等泥沙埋鉆,需在鉆具上安裝取粉管。當用普通硬質合金鉆頭打撈效果差時,可以考慮用彈簧鉆頭(硬質合金鉆頭穿上鋼絲)、復合鉆頭撈取巖心。60 m以后采用 SD系列雙管單動金剛石鉆具, S M植物膠鉆井液護心、護壁,配合跟管護孔鉆進。鉆進參數設定為:鉆壓 4～8 kN,轉速 350～850 r/ min,泵量 30～40 L/min,泵壓 <0.7 MPa,根據鉆進的具體地層條件或不同孔深而適當調整。當孔內漏失嚴重,孔口不返漿時,及時采取堵漏措施,避免長時間頂漏鉆進,減少孔內卡埋鉆事故和漿液漏失,以降低生產成本。

3.5 特殊情況的處理措施

3.5.1 孔內大漂石

在鉆進中,遇到直徑大于套管直徑的孤石,且依靠管靴沖力不能擊碎影響套管跟管時,須采取孔內爆破,將孤石炸碎后再跟管。在 ZK115號孔鉆進中有 2處遇到取心長度為 0.65～1.58 m的孤石,共進行了 2次孔內爆破。

孔內爆破遵循以下 2個原則:一是炸碎孤石;二是不能炸壞管靴。因此,孔內爆破的關鍵點是確定孤石的位置,然后根據孔深、孤石直徑確定炸藥量。

3.5.2 卷揚高溫失效

在 ZK115號孔施工過程中,選用 800 kg型吊錘,由于高頻率的上下運動,卷揚剎車、制動變換頻繁,使得卷揚機摩擦產熱變壞,經常要暫停施工等待卷揚溫度回落,嚴重影響鉆進效率,同時,降低了卷揚使用壽命。本次采取灑水降溫措施。吊錘錘擊跟管鉆進工藝仍然需要改進。

3.6 鉆探效果評價

其宗水電站上壩址 ZK115號鉆孔深厚覆蓋層鉆進在吊錘錘擊跟管護壁的基礎上采用了 SD系列金剛石鉆具鉆進,S M植物膠鉆井液護心、護壁,使巖心采取率和巖心質量有了較大幅度的提高。ZK115終孔深度 180 m,覆蓋層厚度 98 m,覆蓋層巖心采取率達 92%,基巖巖心采取率 100%,鉆孔質量評為優秀。在滿足了地質要求的基礎上,控制了生產成本,提高了鉆探效率。

4 結語

深厚覆蓋層因其地層結構、巖性復雜、多變,鉆孔巖心質量受多種因素控制,鉆孔取心困難。通過特殊鉆具及護壁護心減振鉆井液的運用,提高了深厚覆蓋層取心質量,保證了復雜深厚覆蓋層原狀心樣,為分析深厚覆蓋層成因及特征提供了重要依據。

[1] 曾賢薇.其宗水電站壩址區巖溶發育特征及巖溶水系統研究[D].四川成都:成都理工大學,2009.

[2] 熊德全,王坤.金沙江其宗水電站壩址深厚覆蓋層鉆探技術和孔內試驗實踐[J].云南水電技術,2009,(1):18-21.

[3] 袁學武,陳禮儀,李中倫.深厚覆蓋層堆積體破碎帶錨固成孔偏芯跟管鉆進工藝技術研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程), 2009,36(S1).

[4] 水利電力部水利水電規劃設計院.水利水電工程地質手冊[M].北京:水利電力出版社,1985.

[5] 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學[M].湖北武漢:中國地質大學出版社,2001.

[6] 馮建明.田灣河大發電站閘址深厚覆蓋層勘探的實踐[J].四川水利發電,2001,20(3):77-79.

D iscussion on Drill ing Process for UpperDam siteDeepOverburden Layer of Qizong Hydropower Station in Jinsha River

WANG Guang2m ing,YANG Zheng2qiang,XIONG De2quan,ZHANG Zheng2xiong(Hydrochina Kunming Engineer2 ing Corporaion,Kunming Yunnan 650031,China)

Qizong hydropower station is a high dam and large reservoir built in the canyon area.The maximum dam height was preliminarily planned to be about 358m.The drilling sampling of deep overburden layer is essentialmeans to find out its cause and engineering geologicalproperty,and also the importantmeans forwater resources and hydropower engineering geological investigation.Because of the thick coverage layerwith bad homogeneity of component substances,drilling coring is difficult.The coring quality is directly related to the accuracy and detail of engineering geological investigation data.By the application of special drilling tools and S M plant gum drilling fluid,coring quality in deep overburden layer was im2 proved.The paper discusses the drilling and coring process in the deep overburden layer by the engineering case ofQizong hydropower station.

deep overburden layer;drilling process;S M plant gum;wall retaining;Qizong hydropower station

P634.5

A

1672-7428(2011)05-0057-04

2010-11-16

王光明(1985-),男(漢族),云南曲靖人,中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院助理工程師,地質資源與地質工程專業,碩士,從事水利水電工程地質勘察工作,云南省昆明市盤龍區小龍路 4號,wang250308@126.com。