半合管式双管取芯工艺在防渗墙基岩鉴定中的应用

2016-07-16白晓光

水利水电工程设计 2016年1期

关键词：双管管式基岩

白晓光

白晓光

摘要新疆五一水库防渗墙工程具有独特的地质特性，基岩鉴定难度大。通过3种取芯工艺的现场试验，选取半合管式单动双管取芯钻具、配合泥浆钻进工艺，解决了遇水易软化西域砾岩层的取芯技术难题，平均采取率达76%。

关键词西域砾岩取芯技术防渗墙基岩鉴定

新疆迪那河五一水库枢纽工程是迪那河干流控制性工程，属中型Ⅲ等工程，具有供水、灌溉、防洪兼顾发电等综合效益。拦河坝为碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高102.5 m，总库容0.995亿m3。

枢纽工程由沥青混凝土心墙坝、左岸泄水建筑物及发电引水洞组成。坝址区河谷两岸阶地发育，左岸有一古河槽，岩性为松散砂卵砾石层，属强透水层，是库区渗漏的主要通道。设计采用混凝土防渗墙截渗，防渗墙轴线长375.75 m，设计墙厚0.8 m，最大墙深36.5 m，嵌入基岩0.5～1 m，混凝土强度等级为C20。

古河槽段覆盖层为第四系上更新统冲积阶地砂卵砾石层，下伏第四系下更新统西域砾岩。西域砾石层呈粗粒状结构，块状构造，泥砂质、钙质胶结或半胶结，岩体较完整，但遇水易软化。该层做为防渗墙嵌岩层，因其独特的地质特性，采用常规方法和单管取芯方法无法取出岩芯，难以鉴定基岩面。需选择一种适宜的取芯技术，能比较完整地取出砾岩芯样，为防渗墙施工提供可靠的实物资料，以达到准确鉴定基岩面的目的。

1　钻孔取芯工艺比选

1.1钻孔取芯工艺与应用现状

钻孔取芯工艺主要有单管取芯、双管取芯和三管取芯工艺，国内多采用单管或双管取芯工艺，国外则比较普遍使用三管取芯工艺。国内在极特殊情况下，如特殊地质条件、取芯率要求极高，可采用进口的三管钻具取芯。

1.2钻孔取芯工艺比选

防渗墙施工初期，以不同冲洗液（清水、泥浆）和多种钻孔取芯工艺，进行钻孔取芯试验。结果表明，单管取芯工艺无法取出岩芯，不适宜西域砾岩地层；三管取芯工艺虽然技术可行，但受钻具结构特点限制，与需要采用的泥浆冲洗液不相适应，且芯样直径偏小，不利于本工程特殊岩性的取芯鉴定；采用单动双管取芯工艺，可提高取芯率，操作得当，可保证岩芯连续完整。

从技术和经济两方面考虑，以上3种取芯工艺方法，只有单动双管取芯工艺适宜本工程西域砾岩地层取芯，为此，做为首选工艺。同时，根据本工程实际和西域砾岩特性，为进一步保持岩芯连续、完整、原状，直观准确做出判定，对双管钻具设计改造成半合管式单动双管钻具，冲洗液优选添加植物胶和纤维素的膨润土浆液。

2　半合管式单动双管钻具特点和取芯原理

2.1半合管式单动双管钻具特点

半合管式单动双管钻具同轴度好；结构简单，操作方便；半合管是高合金材料热加工成型，能适应各种复杂地层取芯，岩芯采取率高。

2.2半合管式单动双管取芯原理

半合管式单动双管取芯：在钻进过程中，冲洗液沿钻杆内、经钻具内外管环状间隙返出孔口，不会冲刷到进入内管的岩芯，同时实现单动（外管转动、内管相对不动）减少对岩芯的扰动；内管装满芯样后，取出内管可将其分成2个半管，岩样基本呈原状，基本保持连续完整。

3　墙下钻孔取芯施工

3.1钻孔取芯与鉴定方案

依据设计图纸标识的覆盖层与基岩面分界线，当防渗墙造孔至预计基岩面以上1.5 m左右深度时，停止造孔成槽施工，清孔后尽快下设铁质外套管并进行管底和孔口固定。外套管固定后，进行钻孔取芯施工，取出的岩样经设计地质工程师和业主、监理、施工单位各方代表共同鉴定，并对岩样进行编录、拍照后妥善保存。

3.2钻孔取芯施工

3.2.1钻孔取芯设备与钻进参数

选用XY-2型地质钻机钻孔，半合管式单动双管取芯钻具正循环钻进，冲洗液利用BW250泥浆泵输送。钻进参数如下：钻进压力：8～10 kN，钻机转数：270 r/min；冲洗液量：15～20 L/min。

3.2.2冲洗液及其使用

3.2.2.1冲洗液配比

施工初期，利用清水和普通泥浆作为钻进冲洗液，取芯都没有成功。后经多次配比调整并试验，选用优质膨润土泥浆，添加植物胶和纤维素增黏材料，按一定比例制成新型冲洗液，达到了取芯效果。

本项目钻进冲洗液经验配比见表1。

表1　钻孔冲洗液经验配比

SM植物胶性能指标见表2。

表2　SM植物胶性能指标

钠基膨润土性能指标见表3。

3.2.2.2冲洗液配制与使用

先将膨润土按比例制成浆液，搅拌均匀，再加其它材料制成浆液。冲洗液在膨化过程中经常搅动且温度不宜过低，一般需要膨化24 h以上，以达到更好的使用效果。钻孔过程中，冲洗液循环用过一段时间后，若黏度下降明显，应及时更换达到膨化要求的新制的冲洗液，否则会影响取芯效果。

3.2.3冲洗液、钻进参数与地层适应性控制

初步地质勘察报告显示，防渗墙下基岩面起伏不平，大致呈V形，地层岩性在轴线长度范围内存在一定差异。取芯施工中，即使冲洗液配比相同、钻进参数相同，取芯率也会有所差异；表明钻孔取芯质量与冲洗液性能（主要是黏度、失水量）和钻进速度有直接关系，应做到泥浆性能和钻进参数与地层相适应。对于基岩比较松软的部位，采取适当提高SM植物胶掺量，增大泥浆黏度，减少对基岩软化的影响，有效改善取芯效果。钻进参数等应做如下控制：

（1）控制合理的起下钻速度，操作升降钻具要平稳，尽量减小惯性作用，防止孔内钻具抽吸浆液，回灌浆液时避免冲刷孔壁。

（2）钻进时随时调整泥浆性能，尽可能保持孔底清洁，避免钻头或钻具上部 “泥包”。由于钻进时孔内岩粉较多，应避免提钻前长时间冲孔，以防止岩芯被冲洗液冲坏。

（3）当发现浆液中含岩粉量较高时，应予更换新鲜冲洗液，以保证冲洗液使用效果。