水利水電施工技術及鉆探施工的應用

周明康

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義556300)

0 前 言

在水利水電的基礎工程中，鉆探施工的質量控制是較為復雜以及系統的過程，其涉及的因素也多種多樣，因此需要對鉆探施工做好嚴格控制和管理工作。需要結合施工工藝技術以及具體的參數選擇，采用有效的措施才能使得鉆探這一較為復雜的施工工藝得到控制，實現預定的施工目標。由此可見，對水利水電工程鉆探施工技術進行分析具有重要的意義［1］。

1 工程案例簡述

貴陽市下壩水電站白云巖地層膠結性差、結構酥松、破碎、強度低、似完整狀等復雜性特點，結合勘探目的和現有的技術裝備、鉆進工藝，對這一復雜地層的鉆進作深入調查、了解和認識，在鉆探工藝技術、規程參數、機具材料、沖洗液種類、護壁及事故預防與控制等技術措施方法上，有效提高了鉆進效率、取芯質量，縮短了勘探工期進度，降低了勘探成本，順利完成了所有勘探任務，取得了較好的勘探成果和經濟效益，這為后續的其他施工技術和鉆探施工奠定了堅實的基礎，下面對該工程中的施工技術和鉆探施工進行分析［2－3］。

2 水利水電工程施工技術的主要分類

2.1 高科技儀器

隨著科學技術的發展和進步，水利水電工程在施工過程中引進了很多先進技術，以此提高工程的施工效率，如檢測、勘探儀器等。傳統的測量技術僅僅只是測量，所需的人力物力資源較大，且其不確定性較大。而新技術的應用很好地解決了測量數據的不準確問題。由此可見，高科技儀器的應用為水利水電工程的發展帶來了很多發展的可能［4］。

2.2 計算CAD 技術的應用

計算機CAD 技術從應用之初就將其定義為應用型的軟件，如圖1 所示，與此同時，在計算機不斷的發展過程中，CAD 技術也得到了廣泛的應用。多年實踐證明施工單位將計算機與其他技術相結合，使得數據的獲得更加方便，也保證了工程設計的科學性和合理性，提高了工程施工的實效性［5］。

圖1 CAD 集成系統總體模式示意圖

2.3 GIS 技術與數據庫技術

通過應用地理信息系統以及數據庫技術構建工程信息系統，GIS 技術和數據庫技術的相結合有效提高了工程設計以及施工的靈活性以及準確性，如圖2所示。

傳統的工程信息系統通常只是對工程相關的數據進行收集、整理和檢索等等。但是地理信息系統具有三維全景成像模擬功能，全面地展現了施工過程的時間以及空間關系，在近乎真實的情況下展現地質構成，為工程的后期實施提供了依據［6］。

圖2 GIS 組成部分的一般模式

2.4 鉆探技術

上述工程中白云巖為一種沉積碳酸巖，主要由白云石組成，常混入石英、長石、方解石和黏土礦物，呈灰白色，白云巖巖層易于破碎的特性，加之巖石風化較深，故白云巖普遍存在巖石膠結性差、結構酥松、破碎，強度值波動幅度大等特點。該類地層在鉆探過程中，存在巖芯采取率低、巖芯采取質量差、巖芯品質不好等問題，利用常規鉆探工藝技術，很難達到巖芯采取規范標準，鉆探現場布置全面圖如圖3所示［7］。

為了滿足可研階段對工程地質條件查明的深度要求，確保工程勘察質量，必須依據白云巖地層的特點，結合現有常規鉆探工藝技術，尋求滿足勘察成果質量要求的特殊鉆探工藝技術方法。白云巖作為沉積碳酸巖，在鉆進過程中，磨擦容易生熱，膨脹系數較大，尤其在強風化、中等風化程度的白云巖地層中進行工程地質勘探，巖石可鉆級別小于V 級，巖層結構更加酥松、破碎，巖芯呈粉狀、偶見塊狀，用常規的硬質合金鉆具干法鉆進工藝技術施工，鉆進效率非常低，且易發生孔內“燒鉆”及“抱鉆”事故，處理事故輔助時間較長，成本加大，鉆進經濟效益較差。微風化、弱風化的白云巖，仍具有膠結性差、結構酥松、破碎等特點，造成孔壁不穩定的現狀，只得采取有效的護壁措施，改善孔壁的穩定性，才能獲得正常的鉆進進尺。

進行壓水試驗時，又需要保證孔壁的原狀，只有對已形成有效的護壁泥皮進行破壞和清除才能有效進行試驗，壓水試驗在高壓水頭作用下，原狀孔壁的不穩定性進一步加劇，護壁難度加大。若繼續鉆進，又需要重新進行護壁，工序重復較多，直到鉆到設計孔深［8］。

微風化、弱風化的白云巖地層，可鉆性級別V ～Ⅷ，屬堅硬巖石地層，鉆探采取的濕作業法作業，更加劇了破壞孔壁的穩定性，容易發生“埋鉆”和“卡鉆”事故，給鉆探工程質量、鉆進效率、進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量，但若采用常規鉆進參數，鉆進效率很難提高。

圖3 鉆探現場布置全貌圖

3 鉆探施工技術的應用

鉆進工藝技術，單動單管硬質合金鉆具，輔以無泵反循環的鉆進工藝技術強風化、中等風化程度的白云巖，因巖石強度較低，巖石級別在V 級以內，采用油缸上下給進來提動鉆具實現無泵反循環及擴孔鉆進相結合的硬質合金鉆進工藝方法。

為了有效解決常規硬質合金鉆具干法鉆進工藝技術所帶來的鉆進效率低，易發生孔內“燒鉆”及“抱鉆”事故的問題，結合常規硬質合金鉆進工藝技術，對鉆具鉆頭稍加改動，并配以孔底局部返循環的鉆進工藝對強風化、中等風化程度的白云巖地層進行鉆進。

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;為了提高成孔質量，獲得較好鉆進效率，降低磨擦升溫． 宜選用低轉速。為了實現孔底局部反循環的功能，同時因短時間脫離對巖石的克取磨擦，起到散熱、冷卻效果，應勤提動鉆具。這在很大程度上預防和減少了孔內事故的發生，提高了鉆進效率。

這種工藝技術應注意以下3個要點:

1)常規硬質合金鉆頭內外出刃為1.0 ～1.5 mm，則巖芯外徑與鉆具巖芯管內環間隙為1.0～1.5 mm。白云巖為沉積碳酸鹽，高溫環境下，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，會因摩擦而產生熱量，使巖芯膨脹，使巖芯外徑與鉆具巖芯管內環間隙不足1 mm，使得巖芯進入巖芯管的阻力加大，阻力大于鉆機帶動鉆具獲得進尺所克服的阻力時，造成因“堵鉆”而無法獲得正常進尺，被迫起鉆，取出巖芯管內巖芯后重新下鉆，增加鉆進的輔助時間。雖然巖芯采取率高，但巖芯擾動大、品質差，仍然影響巖芯采取質量。

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

2)通過鉆具提起一定高度(一般為0.3 ～0.5 m)，使孔底產生負壓，鉆具與巖層環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，會沿著巖芯與鉆具內環間隙向上流動，形成無泵反循環，鉆頭在較大壓力，慢速回轉狀態下，克取巖層獲得進尺。鉆進過程中巖芯一般是連續不斷的，巖芯擾動小、品質好，巖芯采取質量滿足規范要求，回次進尺可達0.8 ～1.5 m，鉆進效率高。

3)若改變硬質合金鉆頭的內外刃及底刃，運用無泵反循環及調整鉆進參數措施后，仍不能有效避免“抱鉆”、“燒鉆”事故，還可采用鉆擴結合的鉆進方法。正常鉆進的粗徑鉆具在大一級IZl 徑內回轉長度控制在2/3 左右，增加正常鉆進粗徑鉆具的環狀空間，有效避免事故發生。

但擴孔過程中，值得注意的是一定要加大提動鉆具的頻率，否則會造成“抱鉆、“燒鉆”附加事故。當發生微“抱鉆”、燒鉆事故時，不要急于處理，停機10 min后，待巖層及鉆具冷卻后，再開動鉆機，事故就可能得到解決。

通過上述工藝技術，有效預防和減少了孔內事故，較大地提高了巖芯采取質量和鉆進效率，大大降低了鉆探成本，并在單位規定時間內順利完成了貴陽市下壩水電站現場地質勘探工作，為鉆探施工奠定堅實的基礎，為施工單位創造了良好的經濟效益和社會效益。

4 結 語

綜上所述，水利水電工程的建設需要多種技術綜合使用，才能保證工程的高質量。而鉆探施工是水力水電工程中的主要施工技術，需要通過嚴格的質量控制措施，對其進行實時的監控以及檢查，才能保證鉆探質量。在鉆探的過程中，需要根據工程的自然地質情況以及施工需求等確立各項參數，這樣鉆探施工才能取得較好的結果。

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