孫京衛(wèi)，郭東方，潘煒元，辛志相，周 陽

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

三岔河水庫工程位于青海省格爾木市西南約120km的格爾木河干流的昆侖河下游，全長468km，流域面積1.786萬km2，為柴達木盆地第二大河流。工程位置示意圖如圖1所示。

圖1 三岔河水庫工程位置示意圖

三岔河水庫開發(fā)任務(wù)以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、改善生態(tài)等綜合利用。主要建筑物由擋水壩、泄洪系統(tǒng)、引水和發(fā)電系統(tǒng)等組成。項目建議書階段初擬在青藏鐵路上游的三岔口附近河段建設(shè)三岔河水庫，壩高約40m，水庫總庫容約9700萬m3，裝機8000kW，屬中型Ⅲ等工程。

1 概況

1.1 國內(nèi)外水利工程深厚覆蓋層鉆探概述

三岔河水庫地質(zhì)勘探鉆孔揭露壩址區(qū)砂卵石覆蓋層深度多為150m以上，尤其下壩線ZK5號孔覆蓋層厚度達到302.77m，且均仍未被揭穿。

目前國內(nèi)外的水利工程中覆蓋層厚度在大于30m、壩高在40m以上的水利工程有記錄的有30余座。目前國內(nèi)外報道的覆蓋層厚度最大的為四川冶勒水電站，其覆蓋層厚度為420～500m；國外覆蓋層厚度最大的為埃及阿斯灣水庫，其覆蓋層厚度為225m；黃河流域覆蓋層厚度最大的為小浪底水利樞紐，其覆蓋層厚度為70m余；新疆青海等西北地區(qū)內(nèi)陸河覆蓋層厚度最大的為新疆下坂地水利樞紐，其覆蓋層厚度為147.95m。三岔河水庫目前鉆達的覆蓋層厚度為302.77m，低于國內(nèi)外覆蓋層最厚的四川冶勒水電站，高于所有黃河流域及新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古等西北區(qū)域內(nèi)陸河水利工程及國外最厚的阿斯灣水庫，見表1。

表1 國內(nèi)外部分水利工程覆蓋層厚度統(tǒng)計表

1.2 三岔河水庫深厚覆蓋層物理力學性質(zhì)及地質(zhì)成因

河床覆蓋層礫石最大粒徑范圍為48～218mm，粒徑小于5mm的砂的百分含量范圍為25.7%～67.3%，如圖2所示，天然干密度范圍為1.61～2.13g/cm3，天然含水率范圍為0.5%～17.9%；天然休止角范圍為32°～36°。

巖芯樣樣品飽水系數(shù)為0.98，飽和單軸抗壓強度平均值為44.9MPa，軟化系數(shù)為0.92，塊樣凍融質(zhì)量損失率為0.01%，凍融后抗壓強度為38.7MPa，凍融系數(shù)為0.86，硫酸鹽及硫化物含量為0.38%。

圖2 三岔河水庫左岸1- 1砂礫料顆粒級配曲線

工程區(qū)位于青藏高原腹地柴達木盆地與昆侖山脈東段過渡地段，地勢總體北低南高。區(qū)域上第四紀地層發(fā)育，地層出露齊全，從早更新世至全新世都有出露；成因類型復(fù)雜：有冰磧、冰水堆積、沖積、洪積、沖洪積、湖積、湖沼堆積、殘坡積、風積等；呈東西向帶狀分布。

2 河床深厚覆蓋層鉆探中遇到的問題

ZK5號孔原設(shè)計孔深為70m。隨著鉆孔的不斷加深，尤其是孔深大于150m后，覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給鉆探施工帶來了很大的困難，主要存在以下問題。

(1)砂卵石結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，遇水易坍塌掉塊，提下鉆磕絆，容易造成卡鉆埋鉆等事故，尤其在178.7m處因掉塊造成塌孔情況。

(2)覆蓋層級配差，缺少中間粒徑，存在架空結(jié)構(gòu)，鉆探中沖洗液漏失十分嚴重。鉆進中多處出現(xiàn)不同程度的漏漿情況，尤其在279.51～281.71m處出現(xiàn)嚴重漏漿的情況，在如此深度的覆蓋層出現(xiàn)這些情況發(fā)生塌孔埋鉆等孔故的風險很大。

因此河床深厚覆蓋層的鉆探工作始終困擾著工程地質(zhì)人員和鉆探技術(shù)人員。

3 鉆探施工技術(shù)與工藝

3.1 選擇金剛石鉆頭

砂卵石層相變頻繁、軟硬相間、顆粒不均、結(jié)構(gòu)松散，鉆進工況不穩(wěn)，故在鉆頭選擇上，宜選取耐磨性強、機械強度高、沖擊韌性好，通用性和地層適應(yīng)性較好的金剛石鉆頭。經(jīng)過調(diào)研對比本次勘探中采用了武漢萬邦公司平底孕鑲金剛石鉆頭，其鉆頭技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 金剛石鉆頭技術(shù)參數(shù)表

3.2 鉆進規(guī)程參數(shù)

金剛石回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)巖石的研磨性、可鉆性和鉆具直徑進行選擇。一般為200～600r/min。鉆進弱研磨性巖石或用小直徑鉆頭時，可采用較高轉(zhuǎn)速；鉆進強研磨性的巖石或用大直徑鉆具時，可采用較低的轉(zhuǎn)速。鉆進參數(shù)見表3。

表3 鉆進參數(shù)表

3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)終孔孔徑和終孔孔深由下向上逐段確定各個鉆孔孔段的深度和孔徑直至地表，要留一級備用口徑，以備處理孔內(nèi)復(fù)雜情況所需。

(1)選用Φ133mm金剛石鉆具鉆進，跟進Φ168mm厚壁套管至約20m。

(2)Φ133mm金剛石鉆具鉆進至約50m。

(3)換用Φ113mm金剛石鉆具鉆進至地層不穩(wěn)定出現(xiàn)孔壁坍塌嚴重情況不易處理時，下入Φ108mm薄壁套管。

(4)用Φ94mm金剛石鉆具鉆進，至約280m時換用Φ75mm金剛石鉆具直至終孔。

ZK5號鉆孔實際鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ZK5號孔鉆孔結(jié)構(gòu)圖

3.4 沖洗液配制研究

砂卵石地層穩(wěn)定性差的原因是結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)性差，孔壁機械強度低。解決措施如圖4所示。

圖4 沖洗液配制關(guān)鍵點

因此選用的低固相沖洗液體系組成為：膨潤土2.5%～4%，SH植物膠2%～3%，PAM(聚丙烯酰胺)0.3%～1%，燒堿0.1%～0.2%。

低固相沖洗液材料加入順序：先向攪拌機內(nèi)加滿清水，加入燒堿攪拌5～10min；然后持續(xù)緩慢加入定量植物膠粉；再加入提前水解的聚丙烯酰胺水溶液；最后加入膨潤土攪拌5～10min分散均勻。

經(jīng)過實踐，該低固相沖洗液比重在1.05～1.10g/cm3之間，有效平衡了地層構(gòu)造應(yīng)力和地層孔隙壓力，起到了防止掉塊、坍塌、漏漿的作用；馬氏漏斗黏度達到50′～120′之間，懸浮、攜帶能力強，有利于減緩漏失。

該沖洗液體系的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

(1)植物膠和PAM能有效提高沖洗液黏度而使其固相含量保持不變，膠結(jié)作用強，有利于松散破碎地層穩(wěn)定。

(2)降低失水量。低固相泥漿在含土量較低時一般失水量較大，在加入植物膠后失水量得到較大幅度的較低。

(3)植物膠大大改善了沖洗液的流變性，提高了泥漿的剪切稀釋作用，潤滑性好，減少振動，對孔壁沖刷小，可快速在孔壁形成韌而薄的泥皮，避免了大量沖洗液進入地層中，保證了孔壁穩(wěn)定。

(4)該體系充分利用了植物膠的紊流減阻的特性，增加泥漿的流動性以減輕泥漿泵的壓力，水泵故障少。

(5)利用聚丙烯酰胺的絮凝特性，加速巖粉沉降，凈化泥漿。和植物膠結(jié)合，避免聚沉，形成穩(wěn)定的泥漿體系。

3.5 深厚覆蓋層裸孔防漏堵漏技術(shù)措施

在裸孔鉆進過程中防漏堵漏關(guān)系著成孔的成敗，是本次工作中研究的一個重要課題。

(1)首先從機械自動化著手，配備輕型制漿設(shè)備，從成都引進了專用SDB- 200型輕型高速攪拌機，攪漿效率大大提高，并且在鉆孔漏漿情況發(fā)生時能在較短時間內(nèi)制備出較多的沖洗液以維持孔壁穩(wěn)定，防止出現(xiàn)塌孔等更嚴重的事故。

(2)孔較深時，注意起鉆要向孔內(nèi)回灌漿液，以保持壓力平衡，控制起鉆速度以避免抽吸孔壁，防止鉆孔坍塌掉塊。遇到輕微漏漿地層在漿液中加入2.5%～4%的803堵漏劑隨鉆堵漏，該堵漏劑對于地層中的小型漏漿通道堵漏效果良好。

(3)遇到嚴重漏漿段時，應(yīng)立即提鉆，采用黏土、水泥、803堵漏劑、膨潤土4種材料混合泡制黏土球，下鉆具擠壓搗實堵漏，穩(wěn)定孔壁和堵漏效果頗佳。黏土球材料配方：黏土∶水泥∶803堵漏劑∶膨潤土=3∶3∶3∶1。

3.6 鉆探效果分析

3.6.1鉆探效率高

黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司對于超過100m的深厚覆蓋層鉆孔的鉆探經(jīng)歷很少，還沒有超過200m的深厚覆蓋層鉆探記錄，我們對那棱格勒河水庫鉆探綜合效果較好的鉆孔和該鉆孔的鉆探成果進行對比，見表4。

從表4可以看出，除掉機故等誤工時間，三岔河水庫ZK5號鉆孔鉆探效率高于那棱格勒河水庫NSZK3號孔10%以上，并且是在超過200m的深孔鉆探的相對較高難度的情況下。

表4 鉆探效果對比表

3.6.2鉆孔結(jié)構(gòu)簡化

選用的低固相沖洗液體系護壁效果良好，一般情況下可裸孔鉆進，在該孔鉆進中即實現(xiàn)了裸孔鉆進240余m，大大簡化了鉆孔結(jié)構(gòu)，套管等輔助材料消耗少，且為孔內(nèi)物探測試提供了良好的鉆孔條件。

3.6.3在水電工程勘探深厚覆蓋層深度上取得重大突破

汲取黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司在砂卵石地層方面的優(yōu)秀技術(shù)經(jīng)驗，結(jié)合遇到的一系列實際困難，深入研究，采用針對性的措施解決問題，尤其在低固相泥漿沖洗液的配制和鉆孔堵漏方面，通過探索積累了寶貴經(jīng)驗，最終在裸孔240余m的情況下以孔徑Φ94mm完成砂卵石鉆進深度302.77m，創(chuàng)造了黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司有史以來水電勘探深厚覆蓋層的新紀錄。

3.7 鉆探操作技術(shù)要點

(1)下鉆后，應(yīng)用大泵量沖孔，然后降低泵量鉆進，當?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)松散、取心困難時，盡可能降低泵量，以確保巖心采取質(zhì)量。

(2)鉆具在孔內(nèi)正常進尺時，不要隨意提動鉆具，也不要隨意改變鉆進參數(shù)，否則易產(chǎn)生巖芯堵塞。當由于巖心堵塞而無法進尺時，可以上下往復(fù)提動5～10cm后再鉆進。

(3)孔較深時，起鉆要向孔內(nèi)回灌漿液，以保持壓力平衡，防止鉆孔坍塌掉塊。

(4)起下鉆速度應(yīng)緩慢，以避免在孔內(nèi)產(chǎn)生較大的抽吸，引起漿液強烈的激蕩，導致孔壁的垮塌。

(5)及時排除漿液中的巖粉和砂子，定期測定泥漿性能，避免因泥漿性能下降造成孔壁坍塌等。

4 結(jié)語

隨著水利水電工程開發(fā)與建設(shè)的不斷深入，國內(nèi)水利水電工程地質(zhì)勘探將會遇到更多的壩基深厚覆蓋層情況，勘探技術(shù)要求越來越高。

針對本項目遇到的深厚覆蓋層的復(fù)雜情況，為了滿足勘察要求，合理選擇金剛石鉆進技術(shù)參數(shù)，科學配制低固相泥漿沖洗液，經(jīng)過對鉆探工藝的研究、優(yōu)化、改進，取得了很好的鉆探效果；深厚砂卵石地層遇水松散，鉆進時極易塌孔漏漿，采取的最有效的防漏堵漏的措施是合理摻加了803隨鉆堵漏劑，嚴重漏漿時黏土球擠壓搗實，堵漏效果良好；最終順利完成了超深勘探孔的施工，但施工前未預(yù)見鉆孔如此之深，鉆孔結(jié)構(gòu)還有進一步優(yōu)化的空間。