廖 強(qiáng)

（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明 650041）

馬鹿塘水電站帷幕灌漿工程造孔技術(shù)方案的優(yōu)化選擇

廖 強(qiáng)

（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明 650041）

通過現(xiàn)場試驗，對造孔技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，解決了馬鹿塘水電站大壩防滲帷幕灌漿堅硬地層造孔打滑的問題，提高了鉆進(jìn)效率，降低了工程費用。同時，探討了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于深孔帷幕灌漿造孔的可行性，為類似工程提供借鑒。

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；鉆進(jìn)效率；鉆頭壽命；正交試驗

馬鹿塘水電站混凝土面板堆石壩壩頂高程634.00m，最大壩高154m，壩頂長度約493m。壩體防滲系統(tǒng)由趾板、混凝土面板、防滲帷幕灌漿、上游壩前拋填強(qiáng)風(fēng)化巖料保護(hù)及其輔助防滲體組成。防滲帷幕灌漿鉆孔工程量約27000m，原施工方案采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)造孔，鉆進(jìn)效率低，鉆頭壽命短，既影響施工進(jìn)度，又不利于節(jié)約施工成本。因此，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗比較，以尋求適合本工程的造孔技術(shù)方案。

1 地層特性

壩基巖性主要為寒武系眼球狀花崗質(zhì)黑云混合片麻巖（aGn）夾少量條痕狀花崗混合片麻巖 （pGn）及變質(zhì)白崗巖 （γv）。巖體多為塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)，局部擠壓帶、節(jié)理帶為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。節(jié)理較發(fā)育，以陡傾節(jié)理為主，多微張—閉合，其面平直粗糙，局部見少量銹蝕及少量高嶺土化長石。巖石堅硬，研磨性中等，可鉆性級別為7～10級。

2 造孔技術(shù)方案優(yōu)選思路

在可鉆性7級以上的基巖中進(jìn)行帷幕灌漿造孔，目前主要采用金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)兩種方法。根據(jù)該工程的地層特點和前階段施工情況分析，在資源配置有限的情況下，要提高鉆進(jìn)效率，可以從兩方面考慮：一是對回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)使用的金剛石鉆頭進(jìn)行優(yōu)化選擇，對鉆頭的金剛石粒度、金剛石含量、胎體硬度等參數(shù)進(jìn)行地層適應(yīng)性試驗，尋求適合該工程的鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是在加強(qiáng)鉆孔沖洗、防斜糾斜等措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗，論證沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于深孔硬巖帷幕灌漿的可行性，同時優(yōu)選出安全、經(jīng)濟(jì)、適用的潛孔錘鉆頭。

3 現(xiàn)場試驗

在進(jìn)行鉆頭適應(yīng)性試驗時，為縮短試驗周期，降低試驗費用，同時又能獲得較好的試驗成果，采用了多指標(biāo)正交試驗法安排試驗。

3.1 金剛石鉆頭地層適應(yīng)性試驗

3.1.1 因素和水平的選擇

試驗將孕鑲金剛石鉆頭內(nèi)外徑、金剛石品級、水口數(shù)量等作為固定因素，以金剛石粒度、金剛石濃度、胎體硬度、唇面形狀為主要因素，各選3個水平，見表1。

表1 金剛石鉆頭地層適應(yīng)性試驗因素及水平

3.1.2 正交表選擇及試驗安排

這是四因子三水平的多指標(biāo)試驗，如果采用常規(guī)的試驗方法，需要進(jìn)行81次試驗。用正交試驗法安排試驗，選用正交表L9（34），只需做9次試驗，具體安排見表2。

表2 金剛石鉆頭地層適應(yīng)性試驗安排

3.1.3 試驗結(jié)果分析

按照表2的試驗方案安排試驗，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的孕鑲金剛石鉆頭各鉆進(jìn)一個灌漿孔，進(jìn)尺各60m。試驗主要測試影響金剛石鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的平均鉆速v和單位進(jìn)尺鉆頭消耗量W，試驗記錄各種原始數(shù)據(jù)540個。對試驗結(jié)果采用綜合評分法進(jìn)行分析，分析中取平均鉆速 （v）權(quán)重系數(shù)為1.2，最高得分為120分，取單位進(jìn)尺鉆頭消耗量的倒數(shù) （1／W）權(quán)重系數(shù)為1.0，最高得分為100分，將兩者得分之和作為綜合評價指標(biāo)，考核結(jié)果見表3。

許多警察機(jī)構(gòu)將在情報主導(dǎo)警務(wù)初級階段遇到組織變革和文化轉(zhuǎn)型問題，這些問題很難通過定量數(shù)據(jù)體現(xiàn)。［10］公安信息化向著情報主導(dǎo)警務(wù)的方向轉(zhuǎn)向是一個涉及警務(wù)方方面面的系統(tǒng)工程，需要我們從理念、體制、機(jī)制、任務(wù)協(xié)作、分析能力和平臺建設(shè)等多個方面進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。

表3 金剛石鉆頭地層適應(yīng)性試驗指標(biāo)考核結(jié)果

前三名指標(biāo)對應(yīng)的鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)：第一名胎體硬度為HRC30，金剛石粒度為60目，金剛石濃度為80%，唇面形狀為平底形；第二名胎體硬度為HRC25，金剛石粒度為45目，金剛石濃度為90%，唇面形狀為平底形；第三名胎體硬度為HRC30，金剛石粒度為45目，金剛石濃度為100%，唇面形狀為梯形。試驗表明：采用胎體硬度高的金剛石鉆頭鉆進(jìn)時容易打滑，采用胎體硬度低的金剛石鉆頭鉆進(jìn)時又磨損過快。另外，唇面形狀為梯形和鋸齒形的鉆頭壽命也相對較低。綜合考慮后擬選用胎體硬度為HRC30，金剛石粒度為60目，金剛石濃度為80%，唇面形狀為平底形的孕鑲金剛石鉆頭。

3.2 潛孔錘鉆頭地層適應(yīng)性試驗

3.2.1 因素和水平的選擇

試驗將潛孔錘柱齒鉆頭的外徑、翼數(shù)等作為固定因素，以鉆頭體材料、柱齒形狀、頭部外形為主要因素，各選2個水平，見表4。

表4 潛孔錘鉆頭地層適應(yīng)性試驗因素水平

3.2.2 正交表選擇及試驗安排

這是三因子兩水平的多指標(biāo)試驗，用正交試驗法安排試驗，選用正交表L4（23），共需做4組試驗，具體安排見表5。

表5 潛孔錘鉆頭地層適應(yīng)性試驗安排

3.2.3 試驗結(jié)果分析

按照表5的試驗方案安排試驗，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的潛孔錘鉆頭各鉆進(jìn)2個鉆孔，進(jìn)尺各120m。試驗也要考核影響鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的平均鉆速v和單位進(jìn)尺鉆頭消耗量W，另外要測試孔底偏差L。試驗記錄各種原始數(shù)據(jù)240個，整理后的試驗成果見表6。

表6 潛孔錘鉆頭地層適應(yīng)性試驗成果

對試驗結(jié)果采用綜合平衡法進(jìn)行分析，每個因素相同水平的各個指標(biāo)得分之和及其均值、極差計算結(jié)果見表7。從鉆頭體材料對各指標(biāo)的影響來看，鉆頭體材料為20Ni4Mo時，平均鉆速和單位進(jìn)尺鉆頭消耗量的倒數(shù) （反映鉆頭壽命）兩個指標(biāo)達(dá)到最佳；就孔底偏差來說，鉆頭體材料為34CrNiMo時最佳。經(jīng)過權(quán)衡，取20Ni4Mo，此時孔底偏差為1.19m，在允許范圍內(nèi)，且比最低值僅高0.36m，但每個鉆頭平均可多鉆2.3m。從柱齒形狀對各指標(biāo)的影響來看，就平均鉆速而言，取錐球型齒最佳；對鉆頭壽命來講，取半球型齒最好；對孔底偏差來說，取半球型齒最好。經(jīng)過權(quán)衡，取半球型齒，雖然平均鉆速略有降低，但鉆頭壽命卻大大提高，而且更容易控制孔斜。從鉆頭頭部外形對各指標(biāo)的影響來看，就平均鉆速和鉆頭壽命而言，取中間凸出型最佳；對孔底偏差來說，取中間凹陷型最好。經(jīng)過權(quán)衡，取中間凹陷型，由于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)孔斜較難控制，中間凹陷型鉆頭造孔時產(chǎn)生凸出的巖核起到定心的作用，更能確保鉆孔偏差符合要求。因此，優(yōu)化后的潛孔錘鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)取鉆頭體材料為20Ni4Mo、柱齒形狀為半球型齒、頭部外形為中間凹陷型。

表7 潛孔錘鉆頭地層適應(yīng)性試驗正交分析

為對比兩種造孔方法在灌漿效果上的區(qū)別，我們對試驗鉆孔的灌漿效果進(jìn)行統(tǒng)計分析，見表8。從灌漿效果來看，采用潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)造孔與金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)造孔并無質(zhì)的差別。分析認(rèn)為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖粉較粗，不易進(jìn)入裂隙，而且大多都可在鉆進(jìn)中被排出地面，這種由高壓風(fēng)或與地下水的混合物自孔底以高流速向上排出時，在孔內(nèi)形成負(fù)壓，不僅巖粉不會在孔壁積存堵塞裂隙，而且還能將裂隙內(nèi)的一部分充填物帶出，更有利于提高灌漿效果。

表8 灌漿效果統(tǒng)計

4 方案選擇

通過試驗比選，最后確定該工程的造孔技術(shù)方案如下：

a.帷幕灌漿先導(dǎo)孔和灌后質(zhì)量檢查孔由于要采取高質(zhì)量的巖芯，故采用金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)造孔，并選用胎體硬度為HRC30、金剛石粒度為60目、金剛石濃度為80%、唇面形狀為平底形的孕鑲金剛石鉆頭。

b.其他各次序帷幕灌漿均采用潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)造孔，潛孔錘鉆頭選用鉆頭體材料為20Ni4Mo、柱齒形狀為半球型齒、頭部外形為中間凹陷型的柱齒鉆頭。

5 實施效果

將優(yōu)化后的造孔技術(shù)應(yīng)用于剩余20000余m帷幕灌漿造孔施工中，收到了良好效果：

a.平均鉆速提高了3倍左右，大大提高了工效，滿足了施工進(jìn)度要求。

b.造孔費用降低了約23%，計節(jié)約費用40～45萬元，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語

a.不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的金剛石鉆頭在同種巖石中破巖效果相差懸殊，優(yōu)選好金剛石鉆頭，是實現(xiàn)優(yōu)化金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的基礎(chǔ)。

b.沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在加強(qiáng)鉆孔沖洗和防斜措施的基礎(chǔ)上，應(yīng)用于深孔硬巖帷幕灌漿施工，在提高鉆進(jìn)速度的同時，也能保證灌漿質(zhì)量，對提高工程的經(jīng)濟(jì)效益有重要意義，類似工程可以借鑒使用。

c.正交試驗法能在試驗次數(shù)盡可能少的情況下，取得較好的試驗效果?！?/p>

［1］ 溫姝靜.試談如何提高金剛石鉆進(jìn)的效率［J］.西部探礦工程，2011（4）：69-70.

［2］ 鄢泰寧，段隆臣，等.提高金剛石鉆頭在深孔硬巖中壽命的途徑［J］.金剛石與磨料磨具工程，2010（5）：32-37.

［3］ 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［4］ 菅志軍，張玉霖，王茂森，等.沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)新發(fā)展［J］.地質(zhì)與勘探，2003，39（3）：79-83.

［5］ 劉家榮，王建華，王文斌，等.氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)若干問題［J］.探礦工程，2010，37（5）：40-44.

［6］ DL／T 5148—2012水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2012.

Optim ized selection of curtain grouting engineering pore-form ing technology scheme in M alutang Hydropower Station

LIAO Qiang
（Powerchina Kunming Egnineering Corporation Limited，Kunming 650041，China）

Pore-forming technical schemes are optimized and selected through field test.The problem of curtain grouting slippage during pore-forming on hard formation in Malutang Hydropower Station are solved.Drilling efficiency is improved，and engineering cost is reduced.Meanwhile，feasibility of applying impact rotary drilling technique to deep hole curtain grouting pore-forming is discussed，thereby providing reference for similar projects.

rotary drilling；impact rotary drilling；drilling efficiency；bit service life；orthogonal test

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2015.08.018

TV543

B

1673-8241（2015）08-0058-04