帷幕灌漿孔偏斜成因的分析及KXZ-1A型數字測斜儀的應用

吳 玉 良, 康 路 明

(1.中國水利水電第七工程局有限公司, 四川 成都 611730;2.中國水利水電第五工程局有限公司,四川 成都 610225)

1 概 述

長河壩水電站系大渡河干流水電規劃“三庫22級”中的第10級電站,采用首部式地下引水發電系統開發,電站總裝機容量為2 600 MW。攔河大壩最大壩高240 m,壩底高程1 457 m,壩基覆蓋層厚達50余m,壩頂高程1 697 m,正常蓄水位高程為1 690 m。引水發電系統布置于大壩左岸,泄洪放空系統布置于大壩右岸。大壩主防滲帷幕通過布置在左、右岸各5層灌漿平洞、河床基礎廊道內及在岸坡混凝土板上鉆孔灌漿形成;壩基及廠區防滲帷幕采用2排,孔距2 m、排距為1.5 m的布置方式,主帷幕深度一般為40～66 m,最大深度約為170 m,設計頂角偏向上游0°～9°不等,與鉛直孔相比孔斜控制難度大,工程總量達230 949.42 m。

通過對左、右岸灌漿平洞開挖后揭示的地質情況進行分析得知:左岸以“Ⅱ、Ⅲ”類圍巖為主,右岸以“Ⅲ、Ⅳ”類圍巖為主并伴有“Ⅴ”類圍巖。因此,破碎巖層往往呈現為軟硬巖層共存,鉆頭在遇到軟硬不同的巖層時極易導致鉆孔偏斜。

眾所周知,影響灌漿質量的因素很多,其中鉆孔產生的偏斜對灌漿質量的影響較大。如果其偏斜率過大,不僅對鉆孔質量有影響,而且對帷幕灌漿“阻水幕”的連續性影響更為巨大,使本來該充填的灌漿區域因孔斜偏大而未能充填形成漏灌區,進而嚴重影響灌漿質量。在鉆孔施工過程中,如果鉆孔偏斜率超過了相關規程、規范允許值,則會在灌漿之后不能形成連續有效的帷幕進而導致其無法達到帷幕防滲的目的。因此,在帷幕鉆孔過程中,應通過測斜設備隨時了解各帷幕孔段的實鉆情況,以便于分析帷幕的施工質量,從而保證帷幕的連續性、完整性及密實性。本文闡述了對帷幕灌漿孔偏斜成因進行的分析及KXZ-1A型數字測斜儀的應用。

2 鉆孔偏斜成因分析及產生的主要影響

(1)場地平整度和密實度差,鉆機安裝不平整或鉆進過程中發生了不均勻沉降而導致鉆孔偏斜。“當鉆孔偏斜較大,會直接削弱漿液擴散效果,影響帷幕的合理搭接,難以保證主體工程質量”[1],“嚴重的偏斜會很容易產生孔壁坍塌、掉塊、巖層錯動而使原有地層的活動性增加,穩定性減弱,影響范圍亦相應擴大,使孔內埋鉆、卡鉆、擠夾事故發生的頻率增加”[2]。

(2)由于鉆桿彎曲、鉆桿接頭間隙太大而造成鉆孔偏斜。“鉆進時出現鉆孔偏斜,將會使鉆桿在鉆孔內出現變形,若是立軸鉆桿將回轉動力傳輸到鉆頭時,會影響到鉆頭的回轉、降低其穩定性而導致磨損鉆頭的現象發生,降低鉆進效率”[3]。

(3)鉆頭翼板磨損不均,鉆頭受力不均而造成鉆桿偏離鉆進方向。

(4)鉆進中遇軟硬土層交界面或傾斜巖面時,鉆壓過高使鉆頭受力不均而造成偏離鉆進方向,“將會導致鉆進時不能采用快速鉆進的方法而導致鉆具折斷”[4]。

(5)鉆進過程中未根據實際地質情況采取合理的措施控制孔斜的產生。

“為防止孔斜的發生,應對孔斜及時進行測量,準確地掌握鉆孔的偏斜情況以便及時處理”[5]。因此,必須選用合理的設備對孔斜進行監控測量,以保證將鉆孔的偏斜率控制在設計要求的范圍內。

3 測斜設備的選擇及參數

項目部借鑒新安江、富春江等電站大壩帷幕鉆孔施工中通過自上而下分段測斜、確保帷幕施工質量的成功案例,結合長河壩水電站帷幕工程量大、需要測量的孔段多、工作面分散的具體情況,認為該工程需要選用一種便于野外現場操作及攜帶、精度高、整理資料便捷、防水性能好的測斜設備以確保帷幕灌漿的成孔質量。項目部結合以上需求,在測斜設備選型中主要對KXZ-1A數字測斜儀進行了綜合分析與研究。

KXZ-1A數字測斜儀既可用于垂直或定向井(孔)的頂角和方位角的高精度測量,也能夠準確地測量鉆孔深度等參數。該儀器由筆記本電腦(自備)、地面控制單元、測斜探管三部分組成;采用數據編碼長線傳輸技術與電纜傳輸,數據準確可靠;采用高性能傳感器測量結合數字信號處理技術,其測量結果精度高、穩定性好;由RS-232串行口直接將數據上傳至筆記本電腦,能夠顯示清晰、直觀的測量數據及平面、剖面、側面投影圖并存儲測量數據;其可連接彩色噴墨打印機,可以打印A4版面的測斜數據、平面、剖面、側面投影圖及空間軌跡圖;測斜過程中可同時測量鉆孔深度;該儀器操作簡單,適合于野外作業使用,具體的測試參數見表1。

表1 測試參數表

根據該設備的特點及現場生產實際精度需求(鉆孔頂角為0°～9°,方位角為N8°E)進行分析后得知:KXZ-1A 數字測斜儀整體性能能夠滿足實際生產需求。因此,長河壩工程最終選用KXZ-1A 數字測斜儀對鉆孔偏斜進行控制。

4 KXZ-1A型數字測斜儀的運行情況

首先,打開資料設置頁面,輸入孔號、工程名稱等基本信息;其次,進入測量頁面,先將“儀器檢查”點開,待頂角方位角歸零后再逐段進行測量。孔斜測量情況見圖1;最后,測量完畢,進行“保存數據”,點擊“打印”進入打印預覽頁面,可以根據測量資料以此生成平面、剖面、側面及空間投影圖。鉆孔及測斜數據圖形報告見圖2。

圖1 孔斜測量示意圖

圖2 鉆孔及測斜數據圖形報告圖

5 KXZ-1A型數字測斜儀在鉆孔過程中起到的糾偏作用

(1)在帷幕灌漿孔口管埋設階段,借助該儀器對孔口管埋設的頂角和方位角進行高精度校準,以確保鉆機開孔時的初始孔斜精度滿足要求。

(2)結合鉆進深度,特別是對于不良地質段,宜將帷幕鉆孔測量頻率控制為:0～20 m為每5 m測量一次,20 m以下為每10 m測量一次,同時準確地測量出鉆孔深度等參數。

(3)終孔后、尚未封孔前,利用KXZ-1A型數字測斜儀對鉆孔進行校正復核一次,若孔斜偏差超出設計偏差范圍,則根據測量參數進行糾偏,直至其符合灌漿設計要求。

6 應用KXZ-1A型數字測斜儀取得的成果

鑒于長河壩水電站高標準的設計防滲要求及復雜的地質條件,自使用KXZ-1A型數字測斜儀用于控制帷幕成孔質量以來,現場成孔質量管控效果極為顯著,孔底偏差均在規范規定的范圍以內,現列舉具有代表性區域的測斜成果供分析、研究。左岸高程1 640 m灌漿平洞(孔號:CZ2WJS1-8-3)測斜成果見表2、右岸高程1 520 m灌漿平洞(孔號:CY4W4-2-8-2)測斜成果見表3。

表2 左岸高程1 640 m灌漿平洞(孔號:CZ2WJS1-8-3)測斜成果表

表3 右岸高程1 520 m灌漿平洞(孔號:CY4W4-2-8-2)測斜成果表

KXZ-1A型數字測斜儀在該工程帷幕鉆孔施工中的應用,既減輕了因成孔質量低下帶來的返工風險,節省了建設成本,又保證了帷幕成孔質量,提高了單元成孔一次性合格率,從根本上保證了帷幕灌漿幕體的實體質量。

7 結 語

KXZ-1A型數字測斜儀在長河壩水電站帷幕灌漿成孔質量控制中取得了成功的應用。整個水庫蓄水期間,長河壩水電站大壩沉降、位移等變化值均較小,壩體滲流量小于設計值。2017年11月17日,國家能源局對長河壩水電站進行了巡視檢查,通過數據分析,壩后滲漏量僅為設計值的四分之一,對此,國家能源局給予“可以復制、難以超越”的高度評價。該儀器操作簡便,精度較高,實用性較強,可直接打印測斜數據表、平面投影圖、空間軌跡圖、剖面投影圖、側面投影圖等。該儀器的引進為長河壩水電站帷幕灌漿成孔質量控制提供了一種便捷、有效的手段,對于水利工程帷幕灌漿施工成孔質量控制具有借鑒意義。