周 曉，易學(xué)文，李守圣，郭 明

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司地質(zhì)勘探院，河南洛陽471002)

0 引言

在水利水電工程勘察中，鉆探是獲取工程區(qū)域地層信息最直接、最準(zhǔn)確的不可替代的勘探手段。從鉆孔中取得巖心、土樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)的分析，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行各種原位測試，以此來準(zhǔn)確地判斷水工建筑物地基的穩(wěn)定性和滲透性?？梢哉f鉆探水平的高低，鉆探質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到工程建設(shè)的投資和安全。

繩索取心是提高鉆探質(zhì)量的重要技術(shù)之一，從20世紀(jì)70年代初開始，我國以國土資源、煤炭等行業(yè)的需求為基礎(chǔ)對繩索取心技術(shù)進(jìn)行了研究，并陸續(xù)研制成功了適合于各種地質(zhì)條件和工藝要求的不同規(guī)格的繩索取心鉆具。到目前為止，繩索取心已經(jīng)是一種很成熟的鉆進(jìn)技術(shù)，它具有巖心采取率高、地質(zhì)效果好、鉆進(jìn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)［1］。因此繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)已在我國的國土資源、煤炭、化工、核工業(yè)等系統(tǒng)的鉆探部門得到了廣泛的推廣應(yīng)用。尤其是在地質(zhì)鉆探方面該技術(shù)已占主導(dǎo)地位，鉆探生產(chǎn)中30%～50%的工作量是用該技術(shù)完成［2］，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。但由于繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)和水利水電工程勘探的特殊性，使得該技術(shù)直接應(yīng)用于水利水電勘探存在較多的問題，以至于目前該技術(shù)在水利水電勘探中未得到應(yīng)有的普及。

1 水利水電勘探采用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)存在的問題

1.1 壓水試驗(yàn)問題

在水利水電勘探中，壓水試驗(yàn)是常用水文地質(zhì)試驗(yàn)的方法之一。根據(jù)現(xiàn)行水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程要求［3］，一般每5 m需做一次試驗(yàn)，如果采用傳統(tǒng)的壓水試驗(yàn)方法，也就意味著每鉆進(jìn)5 m就要提一次大鉆。而繩索取心提大鉆比普通鉆進(jìn)提大鉆要費(fèi)力很多，這樣不僅難以發(fā)揮繩索取心鉆進(jìn)的優(yōu)勢，而且會(huì)極大地增加現(xiàn)場操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，這是繩索取心鉆進(jìn)難以在水利水電勘探普及應(yīng)用的最主要原因;同時(shí)頻繁地提下鉆桿的過程中，會(huì)頻繁地碰撞孔壁，更重要的是發(fā)生抽吸作用，增加了發(fā)生孔故的機(jī)率，也影響了該技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮。

1.2 常用鉆具規(guī)格不適合水利水電勘探需要的問題

水利水電勘探的巖心一般需進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，巖心直徑≮50 mm。而繩索取心主要是以國土資源、煤炭等行業(yè)的需求研究出來的技術(shù)，其最常用的φ75 mm繩索取心鉆具取得的巖心直徑為48 mm，達(dá)不到水利水電鉆探物理力學(xué)試驗(yàn)對巖心直徑的要求，因此水利水電勘探只能使用φ96 mm繩索取心鉆具，取出的巖心直徑為62 mm，這樣就造成了各項(xiàng)成本的增加，尤其是碎巖功率消耗大，機(jī)械鉆速會(huì)低于普通鉆進(jìn)，影響繩索取心鉆進(jìn)優(yōu)勢的發(fā)揮。

1.3 沖洗液的問題

繩索取心鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙很小，一般僅為2～3 mm，需要配合潤滑作用好和攜屑能力強(qiáng)的沖洗液使用，以減少鉆具與孔壁的摩擦阻力。但是在水利水電勘探中要進(jìn)行壓水試驗(yàn)、孔內(nèi)物探等試驗(yàn)，基本上只能使用清水鉆探，這就增加了繩索取心鉆具與孔壁的摩擦和鉆機(jī)功率損耗，容易造成鉆桿斷裂等事故。尤其是鉆遇漏失地層時(shí)，孔內(nèi)巖屑難以有效、及時(shí)排出，造成重復(fù)破碎，增加鉆具與孔壁摩擦阻力，容易發(fā)生卡鉆、埋鉆、鉆桿折斷等事故。

由上述情況可知，這些問題都是繩索取心應(yīng)用到水利水電勘探中需要解決的技術(shù)問題。其中如何將壓水試驗(yàn)與繩索取心鉆進(jìn)兩個(gè)工序有機(jī)的統(tǒng)一起來，則是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 解決方案

2.1 不提大鉆壓水試驗(yàn)方法的研究

想要利用和發(fā)揮繩索取心技術(shù)的優(yōu)勢，就必須將壓水試驗(yàn)和繩索取心鉆進(jìn)兩個(gè)工序進(jìn)行整合。我院對此做了大量的研究，提出了不提大鉆壓水試驗(yàn)方案［4］。基本思路是：充分利用繩索取心鉆桿內(nèi)徑大的特點(diǎn)，將栓塞通過鉆桿內(nèi)徑下入到試驗(yàn)段，采用氣或水使栓塞膨脹從而封閉試驗(yàn)段。操作方法是：鉆完一個(gè)試驗(yàn)段(一般為5 m)，取出巖心，然后將鉆桿提離孔底6 m，將栓塞通過纜繩下入到試驗(yàn)段上部，然后使栓塞膨脹，封閉鉆桿和孔壁，利用鉆桿作為過水通道進(jìn)行壓水試驗(yàn)。

該方法的主要問題：一是沒有現(xiàn)成的栓塞可用，必須重新設(shè)計(jì)加工;二是提放、膨脹栓塞的纜線較多，操作方法上需要重點(diǎn)研究。

栓塞是進(jìn)行壓水試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，為此，研究設(shè)計(jì)加工了專用壓水試驗(yàn)栓塞及附件。在研究專用栓塞之初，考慮的是利用水對栓塞進(jìn)行膨脹，即液壓栓塞［5］(見圖1)，其優(yōu)點(diǎn)是膨脹介質(zhì)容易獲得，栓塞密封性能要求不是很高，膨脹過程中基本沒有壓縮，試段封閉比較穩(wěn)定可靠。但是在試制中發(fā)現(xiàn)：在地下水位較深的鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí)，由于膨脹管路的水柱較高，而又沒有地下水位的抵消，栓塞很難卸壓恢復(fù)原狀，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到60 m，栓塞很難恢復(fù)原狀了。當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到100 m左右時(shí)，水壓式栓塞基本不能使用。因此放棄了液體而改用氣體作為栓塞的膨脹介質(zhì)，即氣壓栓塞［6，7］，見圖 1。氣壓栓塞與液壓栓塞其結(jié)構(gòu)是相同的，它們的主要區(qū)別在于：一是膨脹膠囊的介質(zhì)不同，液壓栓塞是用液體作為膠囊的膨脹介質(zhì)，而氣壓栓塞則是用氣體作為膠囊的膨脹介質(zhì);二是充填介質(zhì)的設(shè)備不同，液壓栓塞是用泵將液體壓入膠囊進(jìn)行膨脹，氣壓栓塞的充氣設(shè)備則是氣瓶。氣壓栓塞的特點(diǎn)是充氣過程簡單，只需要打開氣瓶閥門，控制好壓力即可。卸壓過程基本不受地下水位的影響，栓塞可以快速復(fù)原。而且氣壓栓塞的適應(yīng)范圍比水壓栓塞要寬，栓塞卸壓時(shí)間遠(yuǎn)少于水壓栓塞。

圖1 液(氣)壓栓塞

研制成功的專用壓水試驗(yàn)栓塞結(jié)構(gòu)為：栓塞膠囊分為兩段，上膠囊位于鉆頭內(nèi)臺(tái)階上部，膨脹后封閉鉆桿，下膠囊穿過鉆頭進(jìn)入鉆孔壓水試段的封堵部位，膨脹后封閉壓水試段。該栓塞的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)安全、耐用，密封性好，膨脹與復(fù)原性好，不變形。試驗(yàn)操作接近常規(guī)的試驗(yàn)方法，地質(zhì)和操作人員均容易接受。

研究了壓水測試儀壓力傳輸電纜和高強(qiáng)度充氣管組合的提升方法。這種方法可以將鉆孔壓水綜合測試儀壓力傳輸電纜，作為主要承重繩，高強(qiáng)度充氣管作為輔助承重繩，很好地解決了試驗(yàn)時(shí)纜線纏繞問題。

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合專用栓塞和鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測試儀，進(jìn)行水利水電工程鉆探、壓水試驗(yàn)，取得了十分理想的效果。

2.2 常規(guī)鉆具規(guī)格不適合水利水電勘探需求的解決措施

針對目前繩索取心鉆具不適應(yīng)水利水電勘探需要的問題，可考慮從以下2個(gè)方面解決：(1)在現(xiàn)有鉆具的基礎(chǔ)上，研制一種適合水利水電勘探需求的鉆具，這可以從根本上解決鉆具規(guī)格不能滿足水利水電工程需求的問題;(2)在選用現(xiàn)有鉆具的基礎(chǔ)上，對鉆進(jìn)規(guī)程進(jìn)行深入研究，通過對鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)方式、鉆壓、泵量等的選擇、調(diào)整，尋找最優(yōu)鉆進(jìn)參數(shù)［8］。第一種方案涉及到管材規(guī)格的改變，投入成本非常高，沒有太大的現(xiàn)實(shí)意義。從應(yīng)用角度一般應(yīng)選擇第二種方案，通過對鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化，在可接受范圍內(nèi)，提高機(jī)械鉆速，當(dāng)然其機(jī)械鉆速和常規(guī)鉆探方法相比仍然會(huì)偏低。

2.3 沖洗液問題的解決對策

對繩索取心鉆進(jìn)中沖洗液的問題，可從3個(gè)方面進(jìn)行考慮：一是可以通過增大鉆頭外徑的方法予以解決，將φ96 mm的外出刃增加到φ98 mm;二是研究配制一種既滿足水利水電勘探水文地質(zhì)試驗(yàn)要求，又具有良好的潤滑作用的沖洗液，可以解決該問題，但缺點(diǎn)是從沖洗液材料的選擇、配方以及地層的千變?nèi)f化等需要做大量的試驗(yàn)，需花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力，實(shí)施起來難度大;第三種方案是從操作入手，如注意觀察鉆進(jìn)時(shí)的回水、聲音、鉆機(jī)震動(dòng)等情況，對不同情況和問題分別采取措施。如處理沉淀采用特制的沉淀打撈器，鉆至強(qiáng)漏失地層時(shí)，將小流量的鉆進(jìn)回水從鉆桿邊緣注入孔內(nèi)，這種綜合的處理方法，通常能獲得較好的效果。

3 應(yīng)用實(shí)例

某水利樞紐工程壩段區(qū)位于華北地層區(qū)，陜甘寧蒙盆地地層分區(qū)。出露基巖為中生界三疊系二馬營組上段和銅川組下段，為一套陸相碎屑巖系，分布于整個(gè)壩址區(qū)的河谷及岸坡上，出露厚度約180～220 m，最大揭露厚400 m左右，巖相變化較大。壩址區(qū)基巖巖性可概括為鈣質(zhì)(長石)砂巖類、泥質(zhì)、鈣泥質(zhì)粉砂巖及少量(砂質(zhì))粘土巖3大類。壩區(qū)內(nèi)軟弱夾層(泥化夾層)普遍存在，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)13層，其厚度及性狀不穩(wěn)定，連續(xù)性較差，厚度一般為0.5～2.0 cm，夾泥成分一般為粘土巖，少數(shù)為礫巖，但其礦物成分仍為粘土礦物，結(jié)構(gòu)類型分泥夾碎屑型、碎屑夾泥型、全泥型3種，是主要工程地質(zhì)問題之一。

由于軟弱夾層的存在對工程建設(shè)的造價(jià)和工程的安全性有重大影響，為查明其分布特征，地質(zhì)人員對鉆孔的要求為：終孔孔徑≮75 mm;清水鉆進(jìn);按規(guī)定進(jìn)行壓水試驗(yàn);要求強(qiáng)～弱風(fēng)化巖石巖心采取率≮95%，微～新巖石巖心采取率≮8%;為了保證不漏失泥化夾層，鉆進(jìn)回次應(yīng)控制在0.5～1 m。

對上述要求，如果采用傳統(tǒng)的取心鉆進(jìn)方法必須頻繁的提鉆，再加上每5 m做一次壓水試驗(yàn)也要提鉆，其勞動(dòng)強(qiáng)度之大、鉆進(jìn)效率之低、鉆探成本之高是不言而喻的。為滿足地質(zhì)要求，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，從2010年6月～2011年7月，在該工程區(qū)內(nèi)，應(yīng)用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合不提大鉆壓水試驗(yàn)方法和先進(jìn)的壓水試驗(yàn)綜合測試儀、應(yīng)用特制的沉淀打撈器和自行摸索的操作方法，共完成了800多米鉆孔及相應(yīng)的壓水試驗(yàn)。在同工區(qū)相同地質(zhì)條件鉆孔中，對4個(gè)繩索取心鉆孔(S96的鉆具，金剛石鉆頭)和5個(gè)普通鉆孔(φ75 mm雙管鉆具，金剛石鉆頭)的鉆進(jìn)效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對比，其結(jié)果見表1。

表1 繩索取心和普通鉆進(jìn)鉆進(jìn)效率對比

由表1可知，繩索取心鉆進(jìn)的平均效率為11.27 m/d，普通鉆進(jìn)的鉆進(jìn)效率為9.83 m/d，繩索取心的鉆進(jìn)效率比普通鉆進(jìn)高約14.6%。隨著孔深的增加其效率增加更明顯。

繩索取心可以隨時(shí)提取巖心，能夠嚴(yán)格按照0.5 m回次提鉆，并且一旦鉆進(jìn)出現(xiàn)異常，可迅速撈取巖心，減少巖心的對磨，提高巖心的采取率。通過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)分析，繩索取心的巖心采取率比普通雙管鉆進(jìn)要高1%～2%，泥化夾層采取率相比更高。圖2為繩索取心鉆進(jìn)取出的巖心。

圖2 繩索取心鉆進(jìn)取出的巖心

在采取繩索取心鉆進(jìn)加不提大鉆壓水試驗(yàn)方法后，很好地解決了壓水試驗(yàn)問題，避免了頻繁地起下鉆，極大地減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

實(shí)踐表明，繩索取心鉆進(jìn)取心質(zhì)量好，成本較低，鉆進(jìn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低;壓水試驗(yàn)栓塞密封性能好，不提大鉆壓水試驗(yàn)技術(shù)完全能夠滿足試驗(yàn)要求，操作方便;針對沖洗液問題采取的措施能夠發(fā)揮良好的效果。

4 結(jié)論及建議

水利水電勘探有自己獨(dú)有的特點(diǎn)，國土資源、冶金、煤炭等鉆探行業(yè)的技術(shù)、設(shè)備相對先進(jìn)很多，但由于工作環(huán)境不同，勘探要達(dá)到的目的不同，并不能直接移植到水利水電勘探中來，需要認(rèn)真思索解決。繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在水利水電勘探中的研究，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)取得了良好的鉆進(jìn)效果。特別是自行研制設(shè)計(jì)完成的不提大鉆壓水試驗(yàn)方法，將壓水試驗(yàn)和繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)很好地結(jié)合起來，很好地解決了繩索取心鉆進(jìn)難以適應(yīng)水利水電勘探的主要技術(shù)難題，為繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在水利水電勘探中的推廣應(yīng)用掃除了障礙。

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