复杂地质条件坝基帷幕灌浆钻孔成孔质量控制

尹 安 红， 王 文 学

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

JC水电站是雅鲁藏布江中游河段规划的第5级电站电站，下游为冷达水电站。电站位于西部高原某县境内，距下游县城约5 km，距省会城市直线距离约140 km，有省道从工程区通过。开发任务为发电，电站采用河床式开发方式，主河床布置5个溢流表孔。电站总装机容量360 MW，水库正常蓄水位3 246 m。

坝址区所在河段两岸山体雄厚，河谷深切但开阔，为“U”型宽谷， 坝基岩性为变质砂岩、碳质板岩和少量硅质砂岩，碳质板岩具有板状结构、是一种变质岩，原岩为泥质、粉质或中性凝灰岩，沿板理方向可以剥成薄片。

碳质板岩是低级变质岩，因其原岩主要是含碳质泥岩或页岩，变质程度又低，所以，岩石力学抗压性能差，性脆。岩石本身容易破碎，板理面容易含水而滑塌，含碳质增加了其润滑性，水对碳质板岩的强度影响很大，钻孔冲洗液的压力，流速都会导致泥化，造成钻孔发生偏差。孔斜偏差过大，需及时纠正或采取补救措施，否则，无法保证帷幕灌浆的质量。

2 影响成孔质量的主要因素[1]

在帷幕灌浆钻孔施工时，由于各方面的原因，钻孔方向与设计要求会发生偏差。如果偏差太大，会对钻进质量、效率等产生影响，也会影响帷幕灌浆的质量和防渗效果。成孔质量的影响因素主要包括三个方面：第一是地质条件及岩石岩性的影响；其次是钻孔施工工艺、参数及操作手水平的影响；第三是钻孔设备的性能和设备选择等。在钻机钻孔过程中，如果不能控制协调好各种因素，很容易导致钻孔弯曲，影响钻孔质量。

2.1 地质条件及岩石岩性

由于岩石的各向异性，使钻杆在钻进过程中出现受力不平衡的情况，导致钻杆发生一定角度的偏斜甚至弯曲，造成钻孔偏斜，影响钻进效率。

由于在不同的层理结构上表现出不同的强度性质，在钻进这种岩石层时会增大钻进工作量。泥岩、页岩地层的岩石强度、硬度、脆性及水溶性等性质复杂多变，层理、片理发育，地层产状变化极大，极易影响钻孔施工。例如，当岩石的层理方向与垂直于层理方向的硬度比较大时，很容易导致钻孔发生大的弯曲。

2.2 钻孔工艺及参数、操作手水平影响

不同的地质地层和岩石岩性，具有不同的岩石特点，因此，需要选择合理的施工工艺和钻孔参数，减小钻孔孔壁和钻具之间的间隙，减小孔内钻杆弯曲，减小钻具的倾斜。当钻进时压力过大，会造成钻杆弯曲，继而导致钻孔发生弯曲；当钻机转速过高，造成钻杆回转离心力增大产生横向振动，继而导致钻孔孔径、孔壁间隙增大；当钻机钻进过程中遇到泥岩、页岩等软岩，使用的冲洗液量大，会将钻孔孔壁冲坏，致使钻机卡钻、埋钻。同时，钻进过程中也应积极采取有效的预防钻孔偏斜措施和相应的纠偏措施加以控制。而高水平操作手在钻进过程中能及时准确地做出孔内钻进情况，会根据钻机数据的变化及时调整钻进压力及速度等，避免钻孔偏斜逐渐增加，从而保证成孔的质量。

2.3 钻机选择及设备性能

帷幕灌浆中，钻孔设备需根据灌浆孔设计深度、钻孔结构、钻孔角度、岩层条件、地质情况、及钻进方法选择。钻机型号的选择、钻机设备的功率、钻孔精度、钻进速度和设备故障率也是影响钻孔成孔质量的直接因素。

3 钻孔试验

钻孔的质量是保证帷幕灌浆质量的基础，要确保孔深、孔向、孔位符合设计要求，力求孔径上下一致，孔壁平顺，钻进过程中产生的岩粉细屑较少[2]。

3.1 孔斜设计控制指标

根据《帷幕灌浆施工技术规范》要求，帷幕灌浆孔进行孔斜测量。对于孔深小于60 m的帷幕灌浆孔，当孔向垂直或顶角小于5°时，孔底偏差不得大于表1的规定。

表1 帷幕灌浆孔孔底允许偏差表[3]

孔深大于60 m时，孔底最大允许偏差值可根据工程实际情况确定，但不宜大于孔距值。发现钻孔偏斜值超过规定时，应及时纠正或采取补救措施。

3.2 钻孔试验出现的问题

进行钻孔试验时，由于没有对工程地质资料和水文地质资料进行仔细分析、研究，对地层、岩性没有充分了解，在进行钻孔试验时，管理和施工工艺方面都出现了一系列问题，主要表现为以下几方面：

(1) 钻机安装就位后，用水平仪进行校正，但没有对钻机采取有效加固措施就进行钻进，导致钻进过程中钻机出现小幅度摆动，造成钻孔孔斜出现偏差，无法控制在技术要求范围之内。

(2) 钻进时，根据常规金刚石钻孔工艺要求，采取高转速、低钻压进行钻孔施工。当钻机平稳、孔内钻具无大幅度摆动时，尽量使用最高转速钻进。但由于坝基岩性复杂，在钻进过程中，突然遇到较软岩石后，钻具、钻杆会在孔内摆动并碰撞孔壁，会造成孔壁发生坍塌，孔径变大、孔内沉渣淤积过大[4]。

(3)钻孔时钻压过大造成的孔斜偏大。钻孔时，依旧采用常规金刚石钻孔钻压0.8 ～1 MPa,没有充分考虑碳质板岩与硅质岩交替出现的情况，由于岩层软硬不均匀、反复变化、交替出现，因为施工区岩层变化，岩层硬度也在不断变化，在钻孔时钻头容易往硬度低的方向偏斜，同时钻进过程中没能及时准确地根据孔内钻进情况及时调整钻进压力导致钻孔偏斜。

(4)由于没有充分考虑到碳质板岩的特性，孔冷却时冲洗液压力、流量过大，反复对孔壁冲蚀造成孔内坍塌严重并出现大粒径沉渣。

(5)坝基帷幕灌浆孔最深60 m左右，钻进2～3 m，每一个回次钻进长度较大，使孔内沉渣多。

(6)施工空间限制通常导致所用粗径钻具不会太长，从而使粗径钻具失去导向作用而发生钻孔偏斜过大。

4 帷幕钻孔成孔质量控制

钻孔成孔质量是保证灌浆质量的先决条件，同时，成孔效率也影响灌浆进度。根据前期钻孔成孔试验出现的问题，为保证在特定地质条件下的成孔质量和提高成孔效率，在钻机就位固定后，钻孔施工采取了以下方法进行控制。

(1)根据钻孔深度的的实际情况配置钻机。30 m以内孔深的钻孔采用XY-2pc钻机进行钻孔施工，该机重量轻、体积小。超过30 m深度的钻孔采用XY-2钻机，XY-2型液压地质钻机调速范围广，既能满足小口径金刚石钻进的高转速，又能满足大口径硬质合金钻进，且钻机体积小，质量轻，解体性能好，便于搬运，能满足成孔质量要求[5]。

(2)为保证孔壁成形和所钻取芯样完整，减少孔内沉渣过多而影响灌浆质量，将钻孔压力适当降低至0.4～0.6 MPa。大于60 m的深孔需采用减压钻进，钻进速度控制在1.2 ～1.5 m/h。

(3)将钻孔冷却冲洗水压力降低，流速减小，避免因水压、流速过大对孔壁反复冲刷，造成冲蚀破坏而坍塌，减少孔内沉渣量，保证灌浆段长，从而达到保证灌浆质量的目的，冲洗水压力和流速以孔口出水量能带出钻孔产生的岩粉为宜。

(4) 为减少钻孔时钻具、钻杆的摆动对孔壁造成敲击碰撞破坏及对芯样的碰撞损坏，钻进时适当降低钻孔转速确保孔壁成形，钻孔转速应控制在0～350 r/min。

(5) 增加钻孔回次，在破碎、坍塌、软岩、沉渣过多的情况下增加钻孔回次。每一个钻孔回次进尺缩短至0.5 m为宜，钻机转速、钻压均随着降低，从而避免因钻进时间过长而引起岩芯过度磨损，造成孔内沉砂过多影响灌浆质量。

(6) 为减少钻进过程中粗径摆动碰撞孔壁引起的孔壁坍塌、孔壁失去对粗径钻具约束而出现孔斜过大等问题，将前期因施工空间限制采用的长度为2.5 m的粗径钻具增长至5 m,两端头加装扩孔器以防止钻具过度磨损。同时，利用扩孔器水槽排出岩粉和冷却水防止烧钻、埋钻，每一次下孔的钻具均安装捞砂管将每一回次的沉渣取出，保证孔内沉渣满足设计要求。最终，达到控制孔斜的作用，以保证灌浆孔质量。

5 结 语

帷幕灌浆是一种高效的防渗施工技术，在水电站建设中得到广泛的应用。作为帷幕灌浆施工中一道工序，钻孔对于帷幕灌浆的质量起关键作用。对于复杂地层的钻孔施工，在灌浆钻孔施工前，应充分了解掌握地质资料及岩石地层的岩性、各向异性以及完整程度等特征，提高钻机操作人员的技能水平和现场管理水平等，合理选择钻机、钻具和钻进方法，同时，还要根据钻进过程中的孔内地质变化情况适时调整钻机压力和速度以及冲洗液的类型和流量等，从而保证钻孔的成孔效率和质量，为保证灌浆质量打下基础。