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金田水库砌石坝斜孔造孔灌浆总结 |
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| 金田水库砌石坝斜孔造孔灌浆总结 |
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作者：佚名 文章来源：技术论文 点击数： 更新时间：2008-10-13 8:57:48  |
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广西桂平金田水库大坝为浆砌石“T”形支敦坝，建于1970年，最大坝高53 m，坝顶长245 m。该坝砌筑时采用低标号的水泥石灰混合砂浆，石块采用当地的红色细砂岩。经过20多年的运行，整个大坝渗漏比较严重，到处可见流白浆现象。为保证大坝的安全，经自治区水电厅同意对大坝进行除险加固灌浆处理。
经原玉林地区水电设计院设计，大坝造孔灌浆从坝顶分上、下两排进行。排距1.40 m，孔距3.0 m，上、下游孔呈品字形互相错开。钻孔向上游倾斜，顶角15°(溢洪道段6°)。钻孔灌浆按分序加密的原则进行，先施工完下游排再施工上游排，同一排灌浆孔分2个次序施工。灌浆采用自上而下分段钻孔灌浆法。在本文中，主要就自上而下分段钻孔灌浆的斜孔造孔作一些粗浅的分析。
1 造孔
1.1 准备
1.1.1 钻机及钻具的选择
本工程主坝段孔深一般为56.0 m左右，坝肩相对较浅，20 m左右。原设计采用不小于150型的钻机造孔。根据我单位的施工经验以及机械设备的场地条件，我们认为采用100型钻机也可以达到技术要求，并能保证工期的完成。在金田工程我们采用1台XY-1A型，1台XY-1A移机型，1台XJ100-2型钻机，全部钻机为北京探矿机械厂生产。支架用与机座连接的斜铁架，提升滑轮固定。钻具参数选择：①钻头的选择。由于金田水库大坝是砌石坝，石质坚硬，如果采用硬质合金钻头钻不动，而如果采用钢砂(铁砂)钻头，因浆砌石孔隙大，相当于钻进破碎岩层，铁砂易于漏掉而不宜采用，又因是斜孔铁砂不易均匀沉积在孔底。故不得不采用金刚石钻头及与之相匹配的扩孔器。②岩芯管的选择。根据我单位以前施工的北流龙门水库浆砌石大坝，以及其他钻探工程来看，钻进砌石坝相当于钻进破碎岩层，如果采用双管岩芯管，要求卡簧、卡簧座、短接之间的选择要求十分严格，不然短岩芯进入到内管后，易于造成卡管，不能钻进，只好提钻处理，影响回次进尺。而采用单管岩芯管，不易造成卡芯事故，起钻取芯时，只要从钻杆内孔放砂或短铁丝就可以得到较高的取芯率，取芯率完全达到灌浆孔的技术要求。根据设计要求，钻头采用Φ75 mm金刚石钻头，在选择钻具供应商时，根据我们以前使用金刚石钻探的经验，及在金田水库大坝施工开始前多个供应商提供的样品试验比较，从钻进效率和技术成本分析，及与供应商的合作情况，选择如下：钻头采用湖南永州金刚石研究所的Φ75电镀金刚石钻头，扩孔器采用湖南长沙二三三厂的扩孔器，岩芯管采用二三三厂的单管岩芯管，长度最长3.50 m。钻杆长度为2.0 m～4.60 m，直径Φ50 mm。钻具螺牙与钻杆同心，钻杆与岩芯管要求常进行直线检查，不合要求的要经矫正符合要求方可使用。
1.1.2 钻机就位
进场开工前，先由甲、乙方技术人员会同设计人员进行孔位放样。根据孔位位置移机到位。要求钻机机架长轴方向平行于孔位轴线方向。用水平尺调整钻机水平。调整立轴，使之垂直于孔轴线，并与地面水平面成75°角，角度测量采用垂锤，依三角形原理测量计算得出。上述做好后，在钻机机座四周用冲击钻打孔，打入钢筋或膨胀螺钉紧固机架，并用木头支撑码实。再次检查钻机水平及立轴角度，机架长轴是否与孔位轴线平行。该项工作甲、乙双方技术人员在场检查、测定。
1.2 造孔
1.2.1 开孔
以所定的孔位中心为圆心，用油漆画1个圆，直径约为8 cm。依此圆，有时人工凿孔深2 cm～3 cm，有时采用1人操作钻机，另外1人～2人用工具固定控制开孔钻具的摆动，采用中速档(285 r/min)低压开孔。
1.2.2 钻进
(1) 开孔。经第一次取芯后，尽量换成长岩芯管钻进。例如第一次开孔钻具长为60 cm，进尺为70 cm，取芯后，采用长1.2 m左右的钻具，一般进尺可达1.5 m左右，提钻后，应换成大约2.50 m的钻具，并尽快换成3.50 m的岩芯管。根据斜孔造成孔斜的原理，当然采用越长的同径岩芯管越好控制孔斜。但岩芯管太长，与孔壁的摩擦力增加很大，钻机转动及提钻受力很大，减少钻机的使用寿命，一般我们用3.50 m的同径岩芯管已经能很好控制孔斜，达到设计要求，钻机受力也不是太大。另外，开孔钻进尽量使用新的扩孔器，因为旧的扩孔器已经过磨损，如开孔用旧扩孔器，孔径变小，在下续钻进再换用新的扩孔器，因孔径变小，常要经扫孔才能下到孔底。
(2) 在正常钻进情况下，使用570 r/min，这既符合金刚石钻头的使用规程，也与实际情况相符。根据屠厚泽等人提供的不同岩层孕镶金刚石钻头转速公式：
n=60 Vk/πD
式中：n——钻头的转速，r/min；
D——钻头直径，m；
Vk——推荐的线速度，m/s。
表1 不同岩层金刚石钻头钻进推荐线速度表
钻头类型
岩 层
推荐线速度/m.s-1
孕镶钻头
中硬～硬
坚 硬
1.8～3.0
1.5～2.0
表镶钻头
软～中硬
中硬～硬
硬～坚硬
2～2.5
1.5～2.5
1～2
我们使用的是Φ75孕镶金刚石钻头，岩性为中硬～硬，故选用线速度为2.3 m/s，经计算n=60×2.3/3.14×0.075=586 r/min，这与我们钻机的转速中速档570r/min是一致的，经实际检验也是可行的。
(3) 钻压不宜太大，一般为2 MPa～3 MPa。更大的钻压，更高的转速，都不太适合于金田电站大坝。金田大坝为砌石坝，相当于钻进破碎岩层，高转速及大钻压，易造成胎体崩裂破坏，从而缩短钻头寿命，也易引起孔斜。
1.2.3 孔斜的控制
钻机本身、主动钻杆以及整个钻杆柱的振动，是造成孔斜的一大原因。而导致上述振动的原因一般是，传动齿轮咬合的空隙大，机座导向磨损严重，机座与机架卡死，液压缸导向杆磨损，不均衡的卡盘，以及磨损的卡瓦和其他故障等。因此，我们要求：不合格和磨损超过要求的机部件不使用；尽可能准确地使主动钻杆在立轴卡盘上定中；不允许使用已磨损、有压伤的或总弯曲度超过1 mm/m的主动钻杆；使用较轻的水笼头。
随着孔深的进展，受钻压及钻杆自重和转动时产生的离心力的作用，钻杆易于弯曲及摆动，碰撞孔壁造成断杆或是钻头胎体受压不均，从而引起孔斜。原来我们考虑采用与扩孔器同径导向轮来控制，后来经过试验，我们采取：①将连接岩芯管上部的变径接头嵌4排合金(4条长条状合金)，嵌合金半径与扩孔器半径相近；②用一个岩芯管变径接头(与扩孔器同径，有水槽)接到岩芯管上部开头的4根～6根钻杆连接处，起到定心器的作用。这样，减少钻杆与孔壁间的摩擦，同时，排除了钻杆柱下部轴心与钻孔轴心的偏离，并减少其横向振动。在钻进过程中，要求尽量使用长岩芯管。另外，无论是交接班或是正常钻进过程中，要求当班班长注意检查机座是否稳定，立轴螺丝是否松动，如有松动应紧固。在每一灌浆段钻进结束后，要求用测斜仪检测孔斜是否在设计范围内。如果孔斜超出设计范围，相应段在灌注水泥浆后待凝时间相应延长。复钻(扫水泥)时，使用长岩芯管，并将导向装置(变径接头)位置适当缩短，都能纠正过来。本工程经采取上述措施后，经终孔检测，孔斜都在设计允许范围之内。
1.2.4 复钻
金田水库大坝灌浆初设时采用的是自下而上分段灌浆，段长3 m～5 m。经过试验，为更加保证质量，并经设计单位和工程指挥部同意，改为自上而下分段灌浆，段长5 m～8 m，待凝时间5 h～8 h，因而存在复钻(扫水泥)问题。复钻时，要注意钻进时效，采取小钻压，中转速，大泵量。小钻压，严格控制进尺，减少每转的切入深度，注意孔口迥水和水泵泵压。发现迥水变细或泵压变大，应即提钻，否则极易造成烧钻、埋钻，处理不当，会造成报废孔。就是在正常情况下，也要求常将钻头提起一定高度，冲洗一定时间后继续钻进。复钻产生的岩粉(水泥粉)比正常钻进岩石产生的岩粉多得多，故而要求更多的冲洗液才能及时将岩粉(水泥粉)冲走，带出孔口。为此，我们使用灌浆用的隔离泵，设计泵量为60 L/min，一般泵压达到1.0 MPa。泵量小，岩粉冲洗不及时，常会引起岩粉(水泥粉)堵塞钻头水口，造成烧钻、埋钻。钻机转速一般采用中速档285 r/min较普遍。实际钻进表明，机械钻速与钻压和转速乘积(Pn)，在一定范围内具有正比关系，即：
V∝Pn。
式中：V——机械钻速；
P——钻压；
n——钻头转速。
在实际施工中，根据各孔段的情况，由当班机长作适当调整Pn值。实践证明，控制Pn值就是控制钻进时效，因而控速钻进是合理的。
2 灌浆
金田水库大坝灌浆我们采用的是双管栓塞灌浆，一次升压灌注纯水泥浆。在每段灌浆前，都进行简易压水试验。根据简易压水试验值，一般开灌水灰比采用5∶1(极少数采用8∶1)，其它比级分别为3∶1，2∶1，1∶1。根据灌浆实际情况，主坝及排洪道每段耗水泥量约为60 kg/m，右坝肩相对大些，一般耗水泥100 kg/m左右。我们认为该砌石坝没有存在太大的裂隙，故不应采用更大的比级(超过1∶1)，不应该也不必采取越级变浓。右坝肩耗浆相对较大，除了ZK2-3号孔段，在6.4 m～8.0 m发现为一空洞，共耗水泥8 400 kg外，其余都是在基岩接触部位，基岩较破碎、风化严重。但根据相邻孔基岩部份的岩芯来看，未发现水泥，故不应采取更浓(超过1∶1)比级的浓浆。
在灌浆过程中，如遇从坝体冒浆、漏浆，主要采取人工封堵，低压、限流、浓浆、间歇灌浆高压复灌等措施进行处理。如在灌注ZK2-29号孔8.0 m～16.0 m段时，从内坡约12.0 m处有两小孔射浆，经将压力降至0.05 MPa，浆液浓度采用1∶1灌注，约20 min后，射浆渐停。然后，将浆液改为2∶1，压力增大到最大压力0.5 MPa仍然去浆，但未发现这两个孔继续冒浆，而后将压力降到0.3 MPa，直到灌浆结束。
3 结论
金田水库大坝右坝段经采取上述方法处理后，经检查孔(2孔)压水试验，合乎设计要求，坝后渗水也大大减小，基本没有流白现象，达到了预期效果。
参考文献
1.屠厚泽.钻探工程学.北京：中国地质大学出版社，1988.137～150.
2.孙 钊.大坝岩石基础灌浆施工.北京：水利电力出版社，1987.72～78.
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