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

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，具強造斜性。前期的灌漿試驗孔、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)計要求，現(xiàn)場被迫進行大量糾斜、人工造斜工作，生產(chǎn)效率低，工期進度慢，工程附加費用高。其部分孔斜數(shù)據(jù)見表1。表中R2x－Ⅲ－76孔按均角全距法計算孔深60 m時孔底偏移量已達1.227 m，其糾斜造斜時間花費共7天，嚴(yán)重影響施工進度。

2.3 孔斜設(shè)計要求高

帷幕灌漿孔孔斜設(shè)計要求高，防斜技術(shù)難度大:帷幕灌漿孔開孔孔位與設(shè)計位置的偏差≯10 cm;灌漿孔設(shè)計孔距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)計要求，鉆進時效慢，部分孔鉆進時效見表2。

表1 前期灌漿孔頂角測斜記錄 /(°)

表2 前期部分鉆孔鉆進時效

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)計范圍內(nèi)，并進一步提高生產(chǎn)效率，加快施工進度，節(jié)約工程費用。

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，結(jié)合大崗山水電站灌漿工程實際需要，在鉆柱下部安裝幾個扶正器，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

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。其能減小鉆進時的阻力，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，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，無需進行計算。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

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，認為鉆柱為細長桿件，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，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］，計算繪制出圖表(見圖3)，現(xiàn)場使用時直接查出即可確定Hmin。

圖3 上扶正器與鉆頭間距計算圖

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，按照理論分析計算結(jié)果，施工時采用下式計算上、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，配合前期試驗確定的最佳鉆進規(guī)程參數(shù)進行灌漿孔施工，其測斜數(shù)據(jù)部分成果見表3。經(jīng)計算，在孔深為130 m時，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)拐點或急彎點，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)計要求的前提下，使附加工序減少，有效進尺增加，生產(chǎn)效率大為提高，加快了工程建設(shè)進度，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，其部分鉆進時效見表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時效

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，施工進度加快，在今后相關(guān)工程中可參考運用。

［1］劉三虎，丁永波.蜀河水電站防滲帷幕灌漿技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(11):61－64.

［2］張志峰.淺析鉆孔孔斜的控制［J］.中州煤炭，2005，(4):22－24.

［3］趙新瑞.井斜控制理論及防斜鉆井技術(shù)綜述［J］.鉆采工藝，2000，23(1):4－9.

［4］梁貴和，關(guān)洪軍，毛云.螺旋式扶正器與鉆鋌組合滿眼防斜鉆具在基巖地層深水井施工中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005，(1):98－101.

［5］王偉.簡易滿眼鉆具的設(shè)計［J］.中國井礦鹽，1999，(2):14－17.

［6］雷宗明.鐘擺鉆具扶正器安裝高度計算［J］.斷塊油氣田，1997，4(2):53－55.