多扶正器防斜鉆具組合在大崗山水電站帷幕灌漿工程中的應(yīng)用

趙國法，邱順兵，韋 猛

(1.浙江省地勘投資發(fā)展有限公司，浙江 杭州310007;2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都610059)

1 工程概況

在建的大崗山水電站位于四川省石棉縣挖角鄉(xiāng)境內(nèi)，其設(shè)計(jì)為混凝土雙曲拱壩，該水電站帷幕灌漿主要涉及大壩、二道壩、廠房帷幕灌漿及排水工程。其拱壩對基礎(chǔ)的防滲性能要求高，防滲系統(tǒng)直接影響大壩蓄水發(fā)電可靠性，影響壩肩穩(wěn)定和大壩的安全運(yùn)行。工程主要采用帷幕灌漿、結(jié)合排水方法減少大壩基巖滲漏、降低大壩和抗力體揚(yáng)壓力。

2 帷幕灌漿孔防斜難度大

2.1 施工局限性顯著

該灌漿工程都在灌漿廊道內(nèi)進(jìn)行，工作面環(huán)境狹窄(廊道內(nèi)凈空3.5 m×2.5 m)，在高精度質(zhì)量要求下(孔、排距≯2 m，單根鉆具長度受限)，鉆孔極易出現(xiàn)偏斜彎曲。

2.2 地層自然造斜力強(qiáng)

灌漿區(qū)地應(yīng)力高，巖石各向異性顯著;侵入性輝綠巖脈產(chǎn)狀陡傾，花崗巖與輝綠巖脈軟硬互層，具強(qiáng)造斜性。前期的灌漿試驗(yàn)孔、先導(dǎo)孔測斜資料表明，灌漿孔軸線頂角變化過大，灌漿孔彎曲嚴(yán)重，極易超過設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場被迫進(jìn)行大量糾斜、人工造斜工作，生產(chǎn)效率低，工期進(jìn)度慢，工程附加費(fèi)用高。其部分孔斜數(shù)據(jù)見表1。表中R2x－Ⅲ－76孔按均角全距法計(jì)算孔深60 m時(shí)孔底偏移量已達(dá)1.227 m，其糾斜造斜時(shí)間花費(fèi)共7天，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

2.3 孔斜設(shè)計(jì)要求高

帷幕灌漿孔孔斜設(shè)計(jì)要求高，防斜技術(shù)難度大:帷幕灌漿孔開孔孔位與設(shè)計(jì)位置的偏差≯10 cm;灌漿孔設(shè)計(jì)孔距1.5 m，排距1.5 m，孔深160 m左右，鉆孔偏斜不能超過孔距，即終孔水平偏移＜1.5 m，達(dá)到≤0.5°/100 m的頂角偏差，鉆孔精度大大超過常規(guī)地質(zhì)鉆孔孔斜(頂角變化2°/100 m)要求。為保證灌漿孔孔斜設(shè)計(jì)要求，鉆進(jìn)時(shí)效慢，部分孔鉆進(jìn)時(shí)效見表2。

表1 前期灌漿孔頂角測斜記錄 /(°)

表2 前期部分鉆孔鉆進(jìn)時(shí)效

3 多扶正器防斜鉆具組合

為創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)精良帷幕灌漿工程，切實(shí)做好灌漿孔防斜技術(shù)工作，必須把灌漿孔孔底偏斜量控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，并進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，加快施工進(jìn)度，節(jié)約工程費(fèi)用。

3.1 多扶正器防斜鉆具工作原理

為減小灌漿孔孔斜，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合大崗山水電站灌漿工程實(shí)際需要，在鉆柱下部安裝幾個(gè)扶正器，組成剛度較大且孔徑與鉆柱外徑之間間隙較小的剛性滿眼鉆具［2］。其防斜原理是安裝扶正器后，可扶正鉆頭和鉆柱，提高下部鉆柱的剛度，減小其彎曲程度，消除鉆頭的嚴(yán)重傾斜［3］，能減小和限制因鉆柱彎曲而產(chǎn)生的增斜力;同時(shí)扶正器能支承在孔壁上，抵消地層自然造斜力，從而把孔斜控制在最小范圍內(nèi)。

3.2 扶正器鉆具組合設(shè)計(jì)

3.2.1 螺旋型扶正器

根據(jù)地層情況選用螺旋型扶正器，其結(jié)構(gòu)見圖1。其能減小鉆進(jìn)時(shí)的阻力，使沖洗液能通過螺旋結(jié)構(gòu)順利返出，減少卡鉆事故的發(fā)生［4］;螺旋形設(shè)計(jì)，支撐面積較大，可防止其吃入力學(xué)性質(zhì)較差的輝綠巖地層中。

圖1 螺旋型扶正器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 多扶正器防斜鉆具組合

要取得理想的防斜效果，除扶正器選型外，還必須做好扶正器安裝位置的計(jì)算。扶正器安裝位置優(yōu)劣對防斜效果起到?jīng)Q定性作用［4］。

在多扶正器鉆具組合中，近鉆頭扶正器作用主要是抵消地層自然造斜力，中扶正器主要作用是減小鉆頭傾斜角。由于近鉆頭扶正器直接裝在巖心管之上，無需進(jìn)行計(jì)算。該多扶正器防斜鉆具結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 多扶正器防斜鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 多扶正器防斜鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.3.1 上扶正器與鉆頭間的最大間距(Hmax)

采用壓桿穩(wěn)定理論，認(rèn)為鉆柱為細(xì)長桿件，其在端部固定條件下會產(chǎn)生橫向相對位移［5］，從而計(jì)算出Hmax:

式中:I——鉆柱的截面慣性矩m4;E——鋼的彈性模量，2.1×1011Pa;P——上扶正器以下鉆柱發(fā)生一次彎曲時(shí)的臨界鉆壓，P=L1q，扶正段鉆柱在沖洗液中單位長度的重力鉆柱發(fā)生一次彎曲時(shí)，中性截面距鉆柱底端的距離，近似于受壓部分的長度，m;D0——扶正段鉆柱外徑，m;D1——扶正段鉆柱內(nèi)徑，m。

3.2.3.2 上扶正器與鉆頭間的最小間距(Hmin)

利用霍克公式［6］，計(jì)算繪制出圖表(見圖3)，現(xiàn)場使用時(shí)直接查出即可確定Hmin。

圖3 上扶正器與鉆頭間距計(jì)算圖

3.2.3.3 各扶正器與鉆頭的最佳間距

為最大限度的發(fā)揮扶正器的防斜作用，按照理論分析計(jì)算結(jié)果，施工時(shí)采用下式計(jì)算上、中扶正器距鉆頭的最佳間距H、h:

式中:α——一般取值0.4～0.5。由:

式中:q空——鉆具在空氣中單位長度的重力，N/m;ρ泥——泥漿密度，取1.0×103kg/m3;ρ——鉆具的密度，為7.8×103kg/m3;D0=0.050 m;D1=0.040 m;經(jīng)查圖得:Hmin=14 m。

計(jì)算得出上、中扶正器距鉆頭的最佳距離H、h為(α分別取0.44與0.4):

4 工程應(yīng)用效果

采用扶正器防斜鉆具后，配合前期試驗(yàn)確定的最佳鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)進(jìn)行灌漿孔施工，其測斜數(shù)據(jù)部分成果見表3。經(jīng)計(jì)算，在孔深為130 m時(shí)，其孔底偏移量最小為L1x－Ⅲ－14孔0.273 m，孔底偏移量最大為L1s－Ⅱ－7孔0.415 m。對比可知，采用多扶正器防斜鉆具施工，能夠很好的抵消地層自然造斜力，灌漿孔軸線的頂角變化減小，孔底偏斜量減少，灌漿孔彎曲偏斜情況得到有效控制，灌漿孔成孔質(zhì)量明顯提高，滿足孔斜設(shè)計(jì)要求。

表3 采用防斜鉆具后灌漿孔頂角測斜記錄 /(°)

采用扶正器防斜鉆具后，灌漿孔軸線平滑發(fā)展，未出現(xiàn)拐點(diǎn)或急彎點(diǎn)，使孔內(nèi)埋鉆、卡鉆擠夾、鉆具折斷等事故概率減小，基本消除人工糾斜、造斜工作。在滿足孔斜設(shè)計(jì)要求的前提下，使附加工序減少，有效進(jìn)尺增加，生產(chǎn)效率大為提高，加快了工程建設(shè)進(jìn)度，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，其部分鉆進(jìn)時(shí)效見表4。

5 結(jié)語

大崗山水電站帷幕灌漿工程采用多扶正器防斜鉆具進(jìn)行灌漿孔施工，很好地抵消了地層自然造斜力，有效地限制了灌漿孔軸線頂角變化和孔底偏移量，控制了灌漿孔彎曲偏斜，明顯提高了灌漿孔成孔質(zhì)量，很好地滿足該帷幕灌漿工程防斜技術(shù)要求。

表4 采用防斜鉆具后部分鉆孔鉆進(jìn)時(shí)效

多扶正器防斜具的應(yīng)用，使各類孔內(nèi)事故發(fā)生概率減少，基本消除人工糾斜、造斜工作，使附加工序減少，生產(chǎn)效率提高，施工進(jìn)度加快，在今后相關(guān)工程中可參考運(yùn)用。

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