朱成坤，謝 武，付 成，趙明華，葉玉麟

（1.四川華電瀘定水電有限公司，四川 成都 610000；2.中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清 301700；3.天津市地基與基礎(chǔ)工程企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 301700）

0 前 言

為控制鉆孔過程中出現(xiàn)涌水、涌砂，本文擬研究采用加重泥漿護(hù)壁鉆孔，通過加重泥漿自重來抵消涌水水頭壓力，避免涌水帶出砂礫料，同時(shí)起到保護(hù)孔壁的作用。通過水頭壓力計(jì)算得出加重泥漿比重需在1.5～1.8之間才能滿足護(hù)壁鉆孔要求。在研制過程中，既要兼顧加重泥漿的比重（達(dá)到足夠的比重才能抵消涌水水頭壓力），又要兼顧泥漿的懸浮攜渣能力（只有適宜的懸浮攜渣能力才能使加重泥漿呈均質(zhì)狀態(tài)，避免重晶石粉沉淀至孔底導(dǎo)致鉆孔抱鉆、埋鉆孔故），最后還要求加重泥漿才能達(dá)到一定黏度，以滿足在覆蓋層中的鉆孔護(hù)壁效果。加重泥漿護(hù)壁鉆孔在水電工程中應(yīng)用很少，沒有類似工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，只能通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)不斷摸索、調(diào)整、完善，才能達(dá)到護(hù)壁鉆孔要求的漿液性能。

因此在鉆孔過程中，如何控制出現(xiàn)涌水、涌砂情況是急需解決的技術(shù)難題。研制一種加重泥漿壓制涌水、涌砂是高承壓水頭下壩基深厚覆蓋層帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿施工的先決條件。

1 工程概況

瀘定水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣境內(nèi)，為大渡河干流第12級電站。水庫正常蓄水位1 378.00 m，總庫容2.195億m3，裝機(jī)容量920 MW，工程為二等大（2）型工程。電站大壩為黏土心墻堆石壩，建基于覆蓋層上，壩頂高程1 385.50 m，最大壩高79.50 m；壩址河床覆蓋層深厚，一般厚度120～130m。河床部位（0+105.50 m～0+250.30 m）壩基防滲體系由垂直混凝土防滲墻下接三排灌漿帷幕（防滲墻內(nèi)一排、防滲墻上下游各一排）組成，混凝土防滲墻厚度1 m，最大深度110 m，覆蓋層灌漿帷幕深度約40 m；兩岸部位壩基防滲體系由“垂直混凝土防滲墻+基巖帷幕灌漿（防滲墻內(nèi)一排）”組成。

瀘定水電站于2011年8月20日開始蓄水，于2012年6月6日四臺機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)行。電站正常運(yùn)行庫水位變化高程范圍為1 375～1 378 m。2013年3月31日在下游距壩軸線約448 m、距壩腳下游約200 m的右岸河道1 306 m高程發(fā)現(xiàn)滲水，對應(yīng)壩樁號約0+240 m。至2013年4月15日涌水區(qū)地面發(fā)生塌陷，目測流量約為200 L／s，且有較多的灰黑色細(xì)顆粒涌出。針對這一情況，在涌水區(qū)域及大壩間布設(shè)9個(gè)觀測孔，在涌水點(diǎn)布置11個(gè)減壓孔進(jìn)行疏導(dǎo)。隨后進(jìn)行了三個(gè)階段壩后帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿施工，通過三個(gè)階段的補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿，涌水點(diǎn)流量和大壩安全監(jiān)測值沒有明顯減小。

瀘定水電站壩址區(qū)河谷覆蓋層深厚，覆蓋層最大深度超過150 m，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)物質(zhì)組成、分布情況、成因及形成時(shí)代等，自下而上主要分為四層七個(gè)亞層，即第①層漂（塊）卵（碎）礫石層；第②-1亞層漂（塊）卵（碎）礫石層夾砂層，第②-2亞層碎（卵）礫石土層，第②-3亞層粉細(xì)砂及粉土層；第③-1亞層含漂（塊）卵（碎）礫石層，第③-2亞層礫質(zhì)砂層；第④層漂卵礫石層。壩頂高程1 385 m，正常蓄水高程1 375 m左右，通過論證，在灌漿廊道內(nèi)實(shí)施補(bǔ)灌是唯一可行的方案。但灌漿廊道底板高程為1 311 m，承受的水頭為60～70 m，因此在鉆孔過程中普遍存在涌水壓力超0.5 MPa、涌水流量超100 L／min的情況，而且會帶出地層中大量的砂礫料，對壩基原始地層造成進(jìn)一步破壞；同時(shí)鉆孔過程中塌孔情況十分普遍，對施工進(jìn)度的影響極大，如何處理鉆孔中的涌水、涌砂、塌孔是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)（灌漿施工剖面見圖1）。

圖1 灌漿施工剖面示意

2 加重泥漿及其護(hù)壁原理

加重泥漿也叫加重鉆井液，是由石油鉆探行業(yè)最早開始研究和使用的。通過使用泥漿材料（膨潤土漿、黏土泥漿、化學(xué)泥漿）、加重材料（重晶石粉、鐵礦粉、石灰石）、有機(jī)高分子材料（植物膠、正電膠、聚合物）和其他化學(xué)處理劑等制備而成的加重鉆井液，保證漿液具有良好的流動性和懸浮加重能力。

對于每種地層條件，都必須按照一定的配比，使用各種配漿原材料和化學(xué)處理劑配置成所需的護(hù)壁泥漿，或者將它們添加到正在使用的護(hù)壁泥漿中，以隨時(shí)調(diào)節(jié)和維持護(hù)壁泥漿的性能［1］。目前護(hù)壁泥漿的制漿材料主體已經(jīng)變?yōu)榕驖櫷?，這是一種以膨潤土為主要成分的礦物原料［2］。

加重泥漿的護(hù)壁原理主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）泥漿的凝膠化。泥漿通過管路泵壓滲透到周圍土基土內(nèi)，粘附土體顆粒，成為靜止的凝膠，從而減小了顆粒的移動，并將孔壁表層一定范圍內(nèi)的土體孔隙填滿，增強(qiáng)了土體原有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而減少孔壁的坍塌性和透水性，使孔壁趨于穩(wěn)定。

（2）不透水膜的形成。泥漿向孔壁周圍地層滲透，泥漿內(nèi)部的土顆粒在孔壁接觸面上逐漸形成一層致密的泥皮。泥皮能防止漏漿、跑漿，同時(shí)也能抵擋水向孔內(nèi)滲入，有效促進(jìn)了泥漿的護(hù)壁功能。泥皮的形成必須要求地層具有一定的滲透性，假如地層的滲透系數(shù)接近于零，則其壁面上是無法形成泥皮的。另外，泥漿的性質(zhì)也影響著泥皮形成的質(zhì)量，品質(zhì)優(yōu)良的泥漿往往比較迅速地形成薄而韌、密度大、耐沖擊的泥皮，有效地保護(hù)孔壁。

（3）靜液壓力的作用。泥漿對孔壁作用存在靜液壓力，加上比重大，其值比地下水壓力和涌水壓力要大，從而能有效地防止水向孔內(nèi)滲入，破壞泥漿的性能［3-5］。

3 加重泥漿研制

本項(xiàng)目使用的加重泥漿是由膨潤土、重晶石粉、植物膠、表面活性劑、聚丙烯纖維和水組成。參考石油鉆探行業(yè)鉆井液性能測試標(biāo)準(zhǔn)，需要檢測的護(hù)壁泥漿性能包括：漿液密度、擴(kuò)散度、黏度、動塑比、濾失量等重點(diǎn)考察指標(biāo)。

按照上述材料和方法，通過室內(nèi)配合比試驗(yàn)，研究加重泥漿配比和性能。

黏度：也稱塑性黏度，表示泥漿靜止后膠體系統(tǒng)被破壞的難易程度。

動塑比：動切力和塑性黏度的比值，表示剪切稀釋性的強(qiáng)弱。

濾失量：對泥漿進(jìn)行壓濾試驗(yàn)，表示通過過濾介質(zhì)和其所形成泥餅的濾液體積。

3.1 膨潤土泥漿配比試驗(yàn)

加重泥漿在現(xiàn)場膨潤土漿站的膨化泥漿中摻加重晶石粉配制而成。膨潤土配比及性能指標(biāo)見表1。

表1 膨潤土漿性能檢測結(jié)果

通過表1可以看出，隨著膨潤土摻量的增加，膨潤土漿密度逐漸增大，擴(kuò)散度變小，黏度逐漸增大，動塑比也增大，濾失量變小。經(jīng)驗(yàn)表明膨潤土漿液性能良好。

3.2 普通加重泥漿配比試驗(yàn)

不同比重加重泥漿配比性能檢測結(jié)果見表2。

通過表2可以看出，隨著重晶石粉摻量的增加，加重泥漿密度逐漸增大，說明重晶石粉對于泥漿比重的改善非常明顯。擴(kuò)散度變大，黏度也逐漸增大，說明重晶石粉的顆粒分散作用和改善漿液流動性效果明顯；動塑比增大，濾失量變小。經(jīng)驗(yàn)表明，普通加重泥漿性能良好。

表2 普通加重泥漿性能檢測結(jié)果

3.3 特殊加重泥漿配比試驗(yàn)

特殊加重泥漿是解決涌水、涌砂條件下通過添加植物膠和表面活性劑配制而成的泥漿（見表3）。

通過表3可以看出，隨著水摻量的增加，加重泥漿比重和黏度逐漸減小，說明水對泥漿密度和黏度的改良較為明顯。對于涌水、涌砂地層而言，需要不同密度的泥漿形成漿柱壓力來壓制水頭壓力，平衡孔內(nèi)涌水壓力。通過不同漿液黏度和動塑比使巖屑、沉渣上浮，循環(huán)帶出。

表3 特殊加重泥漿性能檢測結(jié)果

3.4 纖維加重泥漿配比試驗(yàn)

纖維加重泥漿采用特殊加重泥漿和纖維配制而成。不同纖維摻量加重泥漿配比性能檢測結(jié)果見表4。

表4 不同纖維摻量加重泥漿性能檢測結(jié)果

通過表4可以看出，隨著纖維摻量的增加，加重泥漿擴(kuò)散度逐漸減小，說明纖維對于泥漿擴(kuò)散度的影響較為明顯。對于漏失量較大的地層而言，需要擴(kuò)散度適宜的纖維泥漿封堵大的滲漏通道，達(dá)到孔壁內(nèi)部滲透平衡的目的。

4 加重泥漿制備及輸送回收

4.1 加重泥漿制備和輸送

由于加重泥漿的成本較高，因此必須合理規(guī)劃泥漿的制備、輸送和回收問題。施工現(xiàn)場設(shè)置一個(gè)集中制漿站，首先將160組份膨潤土在漿池子加上水膨化24 h，然后抽至加重泥漿池，加入1 750組份水、4 000組重晶石粉，安裝泥漿泵進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，使泥漿混合均勻及陳化。然后，通過管路輸送至現(xiàn)場高速攪拌機(jī)（儲漿罐），通過管路電磁流量計(jì)和電磁蝶閥控制漿液向四個(gè)機(jī)組精確、及時(shí)、可控的供應(yīng)。機(jī)組根據(jù)鉆孔需要在高速攪拌機(jī)中加入植物膠、表面活性劑、聚丙烯纖維和水來及時(shí)調(diào)整漿液，以滿足不同地層情況的鉆孔狀態(tài)。加重泥漿制備及輸送回收系統(tǒng)見圖2。

圖2 加重泥漿制備及輸送回收系統(tǒng)示意

通過相關(guān)試驗(yàn)表明：加重泥漿按照膨潤土∶重晶石粉∶水=160∶4 000∶1 750的配比是適宜的，在使用過程中根據(jù)需要加入適宜的外加劑。

4.2 加重泥漿回收

加重泥漿使用量較大且成本高，在施工過程中，需對加重泥漿進(jìn)行回收并重復(fù)利用，如圖3所示。

圖3 加重泥漿回收系統(tǒng)示意

5 結(jié) 論

瀘定水電工程由于具有高水頭、大涌水、深厚覆蓋層地層的施工條件，成孔施工難度極大。通過對泥漿護(hù)壁原理和作用的分析，在泥漿中摻加不同材料制備需要的加重泥漿，通過加重泥漿鉆孔工藝有效地防止了粉細(xì)砂層造孔過程中流砂及塌孔事故的發(fā)生。研制的加重泥漿性能能夠滿足高承壓水頭下深厚覆蓋層鉆孔需求，在施工過程中解決了泥漿制備、輸送、計(jì)量等問題，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，成功研制出了加重泥漿回收系統(tǒng)，類似經(jīng)驗(yàn)可供其他工程借鑒。