金沙江烏東德水電站金坪子滑坡Ⅱ區(qū)深厚覆蓋層鉆探技術(shù)實(shí)踐

李會(huì)中, 焦新發(fā), 潘玉珍, 謝實(shí)宇, 楊　靜, 郝文忠

(1.長江三峽勘測(cè)研究院有限公司，湖北 武漢　430074； 2.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢　430010； 3.三峽大學(xué) 土木與建設(shè)學(xué)院,湖北 宜昌　443002； 4.長江科學(xué)院,湖北 武漢　430010)

0　引言

烏東德水電站是金沙江下游河段四個(gè)水電梯級(jí)的最上游梯級(jí)，壩址位于云南省昆明市、四川省涼山州交界的金沙江干流上，正常蓄水位975 m、總庫容74.08億m3、最大壩高265 m、總裝機(jī)容量10 200 MW、多年平均發(fā)電量401.1億kW·h，為一等大(Ⅰ)型工程。

金坪子滑坡位于烏東德梯級(jí)河段下游右岸，上距烏東德壩址約900 m，距河門口壩址約7.7 km(如圖1)，遙感解譯體積約為6.2億m3，因其扼守于梯級(jí)的敏感部位，穩(wěn)定現(xiàn)狀、變形趨勢(shì)及可能失穩(wěn)方式及規(guī)模將直接關(guān)系到烏東德水電站梯級(jí)開發(fā)的成立及河段內(nèi)壩址的選擇[1]。

前期勘察成果表明：金坪子滑坡不影響烏東德水電站梯級(jí)開發(fā)，其大致可分為5個(gè)區(qū):Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)為第四系堆積體；Ⅰ區(qū)為古侵蝕平臺(tái)上的第四系崩塌堆積體斜坡，穩(wěn)定性好，烏東德水電站修建和運(yùn)行不會(huì)影響該區(qū)穩(wěn)定；Ⅲ區(qū)為深嵌于金沙江古河槽中的古滑坡堆積體，其整體穩(wěn)定性好，烏東德水電站的施工和運(yùn)行僅對(duì)其前緣局部斜坡有影響；Ⅱ區(qū)上距烏東德壩址2.5 km，主要為崩、殘坡積體，目前仍處于變形之中，但其失穩(wěn)規(guī)模有限，不影響鄰近河段內(nèi)壩址選擇；Ⅳ區(qū)為雄厚的基巖斜坡，Ⅴ區(qū)為古金沙江基巖離堆山(如照片1)。

盡管如此，因金坪子滑坡Ⅱ區(qū)組成雜(崩、殘坡積體)、厚度大(一般60～100 m，最大約130 m)、體積巨(約2 700萬m3)，且變形仍在發(fā)展之中，其對(duì)工程影響眾說紛紜，故必須查明其基本地質(zhì)特征，開展深部位移監(jiān)測(cè)與地下水位長觀，以準(zhǔn)確預(yù)判其可能失穩(wěn)方式、失穩(wěn)規(guī)模，正確評(píng)價(jià)其工程影響，并采取有效工程措施加以防范，以策工程安全[2]。正鑒于此，金坪子滑坡鉆探工作必定是極具挑戰(zhàn)性，因而必須精心策劃、加強(qiáng)組織、認(rèn)真落實(shí)，在確保鉆探取芯質(zhì)量前提下，配合鉆孔傾斜儀、滲壓計(jì)安裝，以開展深部位移監(jiān)測(cè)與地下水位長觀。

1　鉆探工藝設(shè)計(jì)

鉆探工藝是針對(duì)金坪子滑坡Ⅱ區(qū)地質(zhì)特征、基于鉆進(jìn)取芯困難實(shí)際情況而制定，主要包括多層套管分層跟進(jìn)護(hù)壁、金剛石與合金鉆頭結(jié)合、植物膠及優(yōu)質(zhì)泥漿循環(huán)、各類優(yōu)質(zhì)高效取芯鉆具配套，等等[3]。

1.1　鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金坪子滑坡Ⅱ區(qū)覆蓋層厚度較大，鉆孔設(shè)計(jì)深度多為100 m左右，個(gè)別孔深達(dá)200余米，終孔要求進(jìn)入較為完整基巖。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：首先，采用Φ150 mm鉆具開孔鉆穿表土層，下入Φ146 mm套管護(hù)壁；再采用Φ130 mm鉆具鉆進(jìn)至較完整巖層(進(jìn)入較完整巖層約2 m左右)，隨即下入Φ127 mm護(hù)壁管；然后用Φ110 mm鉆具鉆進(jìn)至孔深中部巖石較硬孔段(進(jìn)入約3～5 m左右)，隨即下入Φ108 mm護(hù)壁管；最后，若孔內(nèi)巖石完整、孔壁穩(wěn)定，可用Φ91 mm鉆具鉆至終孔，反之，若孔壁不穩(wěn)、出現(xiàn)掉塊或坍塌現(xiàn)象，則可考慮下入Φ89 mm套管護(hù)壁，再用Φ75 mm鉆具鉆至終孔。

圖1　金坪子滑坡地理位置圖

照片1　金坪子滑坡全貌

1.2　鉆壓和轉(zhuǎn)速選擇

覆蓋層鉆進(jìn)應(yīng)避免盲目依靠大壓力、高轉(zhuǎn)速來追求進(jìn)尺效率。由于覆蓋層結(jié)構(gòu)松散、軟硬不均，故鉆壓不宜過大，孔底壓力一般控制在2～8 kN，視孔內(nèi)巖層軟硬變化加以調(diào)整，以保持合理的進(jìn)尺效率為原則；覆蓋層鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速一般控制在200～500 r/min，基巖鉆進(jìn)可控制在450～800 r/min，可視鉆具口徑大小及鉆孔巖層變化情況加以調(diào)整，仍應(yīng)以保持合理的進(jìn)尺效率為原則。

1.3　沖洗液配置與泵量選擇

沖洗液性能是覆蓋層鉆進(jìn)中護(hù)壁防坍塌及提高巖芯采取率的一個(gè)重要因素。全部選擇采用了優(yōu)質(zhì)植物膠配制沖洗液，濃度配置為：植物膠為1%～2.5%(即植物膠粉與清水的質(zhì)量百分比)，加入燒堿為3%～5%(即燒堿與植物膠粉的質(zhì)量百分比)。每班專人負(fù)責(zé)配制，并在鉆進(jìn)循環(huán)過程中注意隨時(shí)調(diào)整保持濃度不下降，這樣既增強(qiáng)沖洗液攜粉能力，保持了孔底清潔和保護(hù)巖芯作用，又達(dá)到和鞏固了泥漿護(hù)壁作用，減少掉塊和塌孔情況，提高了鉆進(jìn)效率。植物膠配制及使用過程如照片2。

由于覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，物質(zhì)組成中含硬、脆、碎的巖石，泵量的選擇十分重要。泵量小，不能攜帶巖粉；泵量大，巖芯易被沖刷，降低了巖芯采取率，故選擇合理的泵量十分重要。一般選擇30～60 L/min，可視巖石軟硬、巖層變化、進(jìn)尺快慢、巖粉多少及回水量變化等綜合情況加以調(diào)整。

1.4　配套鉆具選擇

針對(duì)金坪子滑坡Ⅱ區(qū)覆蓋層及基巖特點(diǎn)，先后選擇和試用了下面幾種鉆器具：①雙管雙動(dòng)內(nèi)管超前/水壓退芯式鉆具(規(guī)格為Φ130/110 mm，Φ110/91 mm，Φ91/73 mm；各口徑均配套薄壁金剛石鉆頭和合金鉆頭)，如照片3。②雙管底噴式、側(cè)噴式雙管單動(dòng)鉆具(規(guī)格為Φ130 mm、Φ110 mm、Φ91 mm，并配套適合塊石層、軟硬互層等鉆進(jìn)的各類金剛石鉆頭)。③單管鉆具(規(guī)格為Φ130 mm、Φ110 mm、Φ91 mm，均為投球式取芯)。④雙管半合管式金剛石鉆具(規(guī)格為Φ110 mm、Φ91 mm，適用于軟硬互層或軟弱基巖)，如照片4。

照片2　植物膠配制及使用過程

照片3　雙管半合管式金剛石鉆具

照片4　雙管雙動(dòng)內(nèi)管超前鉆具

一般情況下，應(yīng)盡可能選擇使用雙管單動(dòng)鉆具，這類雙管鉆具的共同特點(diǎn)是內(nèi)管在鉆進(jìn)過程中處于不回轉(zhuǎn)狀態(tài)，巖芯進(jìn)入內(nèi)管后則受到保護(hù)，避免或減少了鉆具對(duì)巖芯的振動(dòng)破壞及沖洗液對(duì)巖芯的直接沖刷，而且內(nèi)管均自帶卡簧，提鉆時(shí)能夠自動(dòng)卡取巖芯防止巖芯脫落，另外半合管式鉆具還可在回次終了提鉆后卸下內(nèi)管打開半合管直接接觸到巖芯，避免了在敲打取出巖芯過程中對(duì)破碎軟弱巖芯的擾動(dòng)和人為破壞，從而提高巖芯采取率。鉆孔內(nèi)若遇大塊石、大粒徑的砂卵石或漂石，則可使用單管鉆具與薄壁電渡金剛石鉆頭快速通過。

1.5　取芯方法

為保證覆蓋層取芯質(zhì)量，有多種取芯方法供選用，主要有：①投珠球干燒取芯(適用于強(qiáng)風(fēng)化、松軟、泥層等)。②雙管內(nèi)卡簧取芯(適用于基巖、塊石層、軟硬互層等)。③單管鉆具鉆進(jìn)、鋼絲鉆頭撈芯(適用于強(qiáng)風(fēng)化、碎(塊)石等。

2　鉆探過程控制

鉆探過程控制是鉆探工藝設(shè)計(jì)方案的具體落實(shí)，直接關(guān)系到鉆探取芯質(zhì)量好壞與鉆探工作的成敗。在鉆探實(shí)施過程中，主要把握以下幾點(diǎn)：

(1)鉆探作業(yè)前，必須制定詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃，明確操作流程和執(zhí)行規(guī)程，并做好相關(guān)設(shè)備、器材準(zhǔn)備。

(2)以機(jī)組為單位，成立QC小組，由機(jī)長任組長、班長為骨干，以不斷改進(jìn)質(zhì)量、降低成本消耗、提高工作效率。

(3)作業(yè)過程中，視地質(zhì)條件選擇鉆探工藝，嚴(yán)格控制單回次進(jìn)尺，不打懶鉆，遇堵則提，保證巖芯采取率達(dá)標(biāo)或創(chuàng)優(yōu)，一旦發(fā)現(xiàn)巖芯采取率較低，即采取有效措施予以糾正。

(4)重視精心操作環(huán)節(jié)，合理配備鉆具與選擇壓力、轉(zhuǎn)速和水量等鉆進(jìn)參數(shù)，注意調(diào)節(jié)和保持沖洗液性能正常，并應(yīng)隨時(shí)根據(jù)孔內(nèi)情況變化及時(shí)做出必要調(diào)整：① 當(dāng)鉆孔逐漸加深、鉆具自重大、巖石結(jié)構(gòu)松散又較軟時(shí)，應(yīng)盡量使用雙管單動(dòng)鉆具，配置底噴式金剛石鉆頭進(jìn)行減壓鉆進(jìn)。② 當(dāng)遇特別軟弱夾層時(shí)，應(yīng)采用半合管或薄壁鉆具減壓鉆進(jìn)，施以低轉(zhuǎn)速、減壓力、中等泵量等參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。③ 當(dāng)孔內(nèi)沉淀多、阻力大時(shí)，應(yīng)采取少鉆多撈方式，保持孔內(nèi)清潔。④ 若孔內(nèi)漏失嚴(yán)重，出現(xiàn)孔口返漿量減少或不返漿時(shí)，應(yīng)注意及時(shí)堵漏，不宜長時(shí)間頂漏鉆進(jìn)，否則易導(dǎo)致孔內(nèi)事故發(fā)生。⑤ 覆蓋層采用雙管鉆進(jìn)，回次進(jìn)尺低，巖芯容易在短節(jié)管或卡簧座內(nèi)堵塞，若遇巖芯堵塞，可采取適當(dāng)提動(dòng)鉆具、改變轉(zhuǎn)速等處理方式；若處理無效時(shí)，應(yīng)立即提鉆。⑥ 鉆孔能否變徑、是否封孔或下套管，要視鉆孔深度、巖層變化、孔內(nèi)狀況等情況綜合分析，研究后再按步驟進(jìn)行，以免造成后續(xù)工作受阻或?qū)е驴變?nèi)事故發(fā)生。

3　質(zhì)量效果分析

在金坪子滑坡Ⅱ區(qū)松散堆積層最大厚度達(dá)130 m以上，鉆進(jìn)過程中難免會(huì)遇到復(fù)雜地質(zhì)情況，若處理不當(dāng)，必然會(huì)出現(xiàn)掉塊、塌孔、卡鉆等問題，這不僅會(huì)影響鉆探進(jìn)度，而且會(huì)影響鉆探質(zhì)量，只有通過精心策劃、加強(qiáng)管理、嚴(yán)格操作、迎難而上，方能取得巖芯采取率達(dá)標(biāo)與鉆探的目的實(shí)現(xiàn)。

(1)針對(duì)水源缺乏、覆蓋層深厚等情況，采用水泥封孔、植物膠護(hù)壁、裸孔鉆進(jìn)、嚴(yán)控進(jìn)尺等措施，取得圓滿成功，平均巖芯采取率除JZK31巖為72.13%外，其余均在76.73%～98.16%之間，實(shí)現(xiàn)了巖芯采取率全面達(dá)標(biāo)或創(chuàng)優(yōu)，如照片5、表1所示。

照片5　金坪子滑坡Ⅱ區(qū)鉆孔巖芯代表照片

(2)金坪子滑坡Ⅱ區(qū)共完成鉆孔14個(gè)、進(jìn)尺1 636.32 m(其中覆蓋層1 118.43 m)，全面揭示了Ⅱ區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成(自下而上)：①古沖溝堆積。主要為碎石、碎屑夾砂層，局部明顯韻律特征，大部呈砂礫石層及塊石砂礫石混雜堆積，大塊石架空區(qū)有砂礫石呈囊狀分布，屬強(qiáng)透水性。如照片5-a。②殘坡積層。主要為紫紅色、灰黑色千枚巖碎屑土，結(jié)構(gòu)稍密—密實(shí)；底部為褐紅色含碎屑粘土，結(jié)構(gòu)緊密，呈硬塑狀，該層粘土礦物(伊利石、蒙脫石和綠泥石)含量較高，占55%～75%，屬微—弱透水層。如照片5-b。③崩坡積層。主要為塊石碎石土，結(jié)構(gòu)松散，從前緣至后部，層厚漸增，其中塊徑大于20 cm的塊石約占20%～30%，其原巖成份主要為白云巖、硅質(zhì)白云巖等，結(jié)構(gòu)松散，有架空現(xiàn)象，屬極強(qiáng)透水層。如照片5-c。

(3)配合安裝傾斜儀、滲壓計(jì)3個(gè)鉆孔、地下水長觀12個(gè)鉆孔(PVC管)，并采用多種洗孔方法(刮孔、刷孔、清水置換泥漿植物膠等)，為鉆孔彩電測(cè)試創(chuàng)造條件，并確保了彩電效果。

表1?、騾^(qū)鉆孔鉆進(jìn)取芯情況與揭露地質(zhì)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表

4　結(jié)語

金坪子滑坡Ⅱ區(qū)組成雜、厚度大、體積巨，且變形仍在發(fā)展之中，因而鉆探工作極具挑戰(zhàn)性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,系統(tǒng)總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，通過鉆探工藝設(shè)計(jì)、嚴(yán)格過程控制，有效提高了鉆探取芯質(zhì)量，完成了大量的鉆探及配合實(shí)物工作，為查明金坪子滑坡Ⅱ區(qū)地質(zhì)特征、開展深部位移監(jiān)測(cè)與地下水位長觀，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)判其可能失穩(wěn)方式、失穩(wěn)規(guī)模并正確評(píng)價(jià)其工程影響、開展防治措施研究奠定了重要基礎(chǔ)，可供類似工程勘察所借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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