南水北調(diào)中線工程勘察砂卵石層鉆探護(hù)壁工藝分析

□郭曉東

1.引言及概況

南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨流域的特大型調(diào)水工程，是優(yōu)化我國(guó)水資源配置的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，工程實(shí)施后可有效緩解京津及華北地區(qū)的缺水狀況，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，支撐該地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，南水北調(diào)中線工程自丹江口水庫(kù)引水，進(jìn)入河北后大致沿太行山東麓和京廣鐵路西側(cè)北行。沿途穿越多條大中小型河流，穿越位置多位于山前地帶，揭露巖性以砂卵石層為主。

砂卵石主要由砂土和卵礫石組成，勘察深度范圍內(nèi)多為第四系全新統(tǒng)沖洪積層。

2.鉆探護(hù)壁工藝分析

現(xiàn)以沙河倒虹吸勘察鉆探金剛石鉆頭鉆進(jìn)為例，以清水鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)、SM植物膠護(hù)壁鉆進(jìn)等3種鉆探護(hù)壁工藝進(jìn)行護(hù)壁工藝分析。沙河表層砂卵石地層年代較新、松散，在鉆進(jìn)過程中，形成的鉆孔破壞了原狀土的受力平衡，孔壁面土體在土體壓力和孔隙水壓力作用下向孔內(nèi)崩塌、滑落。

2.1 清水鉆進(jìn)

沙河內(nèi)有上游選礦水徑流，鉆探過程中無清水運(yùn)距問題，可就近取水。清水鉆進(jìn)過程中因砂卵石層松散，滲透系數(shù)大，孔口返水少或不返水，無水壓和粘聚力。鉆進(jìn)過程中塌孔、埋鉆等孔故頻繁發(fā)生。鉆孔完成時(shí)間長(zhǎng)、成孔困難、取芯率低，不能取出原級(jí)配巖芯，按照巖芯分辨地層困難，鉆孔質(zhì)量差。

2.2 泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)

泥漿主要由水、膨潤(rùn)土和火堿組成。泥漿護(hù)壁作用主要表現(xiàn)在兩方面：一是泥漿的液態(tài)靜壓力可以抵減作用在孔壁上的土壓力和孔隙水壓力，并防止地下水進(jìn)入孔內(nèi)。二是隔水膜的形成要求土體具有一定的滲透性，否則很難在孔壁上形成隔水膜，而砂卵石層具有滲透性。泥漿在液壓作用下侵入砂卵石空隙中，泥漿中的水流走，而泥漿中的細(xì)小土顆粒則填補(bǔ)在砂卵石空隙中，同時(shí)泥漿凝膠體粘附在細(xì)小土顆粒上，固定了土顆粒的相對(duì)位置，泥漿的繼續(xù)滲透使泥漿中的細(xì)小顆粒逐漸向砂卵石的深層空隙填充，從而堵塞水道，形成了隔水膜。細(xì)小顆粒的填充使孔壁周圍形成了較穩(wěn)定的土層，維持了孔壁的穩(wěn)定。要達(dá)到護(hù)壁好的效果，必然增加泥漿的稠度，濃稠泥漿分離了卵石間的充填物，從而導(dǎo)致取芯不完全，取出的巖心多為大塊卵石，對(duì)卵石內(nèi)的充填物和夾層等不能真實(shí)反映，且采芯率很難滿足地質(zhì)要求。

2.3 SM植物膠護(hù)壁鉆進(jìn)

SM植物膠是由多年生草本植物直根加工而成，多呈黃褐色、棕紅色，主要成分含多糖類半乳聚糖、甘露聚糖等。它可以以任意比例溶解于水，制成無固相或低固相沖洗液。植物膠漿液主要由水、植物膠、膨潤(rùn)土和火堿組成。SM植物膠護(hù)壁鉆經(jīng)常與SD金剛石鉆具配合使用鉆進(jìn)。SM植物膠漿液加膨潤(rùn)土后護(hù)壁原理與泥漿護(hù)壁原理相同，而其具有粘度高、失水量小等特點(diǎn)，護(hù)壁效果更優(yōu)于泥漿，更能減少卡鉆、埋鉆事故，在鉆進(jìn)過程中無需反復(fù)撈取孔內(nèi)余芯，提高了鉆進(jìn)效率，減少了鉆進(jìn)時(shí)間。SM植物膠潤(rùn)滑性能好，阻力小，從而功率消耗低，減少鉆機(jī)與鉆具的磨損，輔以SD金剛石鉆具（單動(dòng)性能好、同心度好、穩(wěn)定性強(qiáng)）鉆進(jìn)，能使巖心保持原狀結(jié)構(gòu)，大大提高了巖芯采取率，且能保持孔內(nèi)清潔，所做原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。能真實(shí)反映出地層情況，滿足了地質(zhì)要求。

3.結(jié)束語

清水鉆進(jìn)成本低，鉆孔完成時(shí)間長(zhǎng)，取芯差，不能真實(shí)反映地層情況；泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)成本稍高，鉆孔完成時(shí)間較短，取芯較差，不能完全真實(shí)反映地層情況；SM植物膠護(hù)壁鉆進(jìn)成本高，鉆孔完成時(shí)間短，取芯完整，能完全反映地層情況。以上3種鉆探護(hù)壁工藝方式應(yīng)根據(jù)不同的成孔質(zhì)量和地質(zhì)要求采取相應(yīng)的護(hù)壁方式。見表1。以達(dá)到節(jié)約成本，創(chuàng)造效益之目的?！?/p>

表1 3種護(hù)壁鉆探工藝綜合對(duì)比表