李萬(wàn)逵

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆莎車縣城西南約130 km(公路距離)的葉爾羌河中游河段上,地理坐標(biāo):東經(jīng)76°27′25″,北緯 37°57′20″。 如圖1。

圖1 阿爾塔什水利樞紐庫(kù)壩址交通地理位置圖

阿爾塔什水利樞紐工程是以灌溉、防洪、改善生態(tài)和發(fā)電為開發(fā)目標(biāo)的控制性水利樞紐工程。樞紐建筑物有:攔河壩、排沙泄洪洞、發(fā)電引水洞、導(dǎo)流洞、電站廠房及開關(guān)站等。本階段壩型有混凝土面板壩和心墻堆石壩兩種,上壩址水庫(kù)正常高水位1 820m。最大壩高165 m;水庫(kù)總庫(kù)容為29.26×108m3,控制灌溉面積39.3×104hm2。電站裝機(jī)容量660 MW,年發(fā)電量23.6×108kW·h,屬大(Ⅰ)型一等工程,可作為今后南疆電網(wǎng)中的主導(dǎo)電站。

阿爾塔什水利樞紐工程于1981年初開始前期勘測(cè)設(shè)計(jì)工作,2008年10月完成項(xiàng)目建議書階段的勘察工作,2008年11月展開可研階段的地質(zhì)勘察工作。

阿爾塔什水利樞紐河床覆蓋層厚94 m,河床深厚覆蓋層的鉆探取芯難,成孔難,判層難,孔內(nèi)獲取物探參數(shù)更難,河床深厚覆蓋層的鉆探工作在此之前始終困擾著工程地質(zhì)人員和鉆探工作技術(shù)人員。

河床深厚覆蓋層鉆探工作中遇到的主要問(wèn)題是:

(1)河床覆蓋層深厚,在鉆探成果滿足地質(zhì)要求時(shí),因垮孔、大的孤石變徑次數(shù)多,向下鉆探時(shí)十分困難。

(2)地下水流速大,加之在相當(dāng)一部分覆蓋層較為松散,級(jí)配差,缺少中間粒徑的條件下,鉆探中漏漿、循環(huán)液漏失十分嚴(yán)重。

(3)覆蓋層中存在巨大的孤石,已有鉆孔通過(guò)的最大直徑為15.0 m。

(4)地質(zhì)要求較為全面,取芯鉆孔要求取出盡可能完整的原狀巖芯,獲取物探參數(shù)的鉆孔則要求獲取盡可能深的裸孔深度。

1 概 況

1.1 國(guó)內(nèi)外深厚覆蓋層鉆探概述

阿爾塔什水利樞紐工程壩址河床內(nèi)目前已有的鉆孔和覆蓋層厚度如表1,上壩址可研階段已有鉆孔揭露的覆蓋層最大厚度為93.9 m(ZK33),下壩址已有鉆孔揭露的覆蓋層最大厚度66.88 m(ZK11)。

表1 河床內(nèi)已有的鉆孔和覆蓋層厚度統(tǒng)計(jì)表

目前國(guó)內(nèi)外的水利工程中壩高在40 m以上、覆蓋層厚度大于30 m的水利工程已報(bào)道的有30余項(xiàng),目前國(guó)內(nèi)外覆蓋層厚度最大的水利工程為中國(guó)四川冶勒[1],其覆蓋層厚度為420～500 m。國(guó)外覆蓋層厚度最大的水利工程為埃及的阿斯灣(ASWAN)水庫(kù),其覆蓋層厚度為225 m。國(guó)外在深厚覆蓋層上修建的最大壩高為加拿大的大浩尼(Big Horn),其壩高為150m,其覆蓋層厚度為71 m,小于阿爾塔什水利樞紐工程河床覆蓋層的厚度。國(guó)內(nèi)在深厚覆蓋層上修建的最大壩高為四川瀑布溝,其壩高為186 m,四川瀑布溝水庫(kù)的覆蓋層厚度為75m,其覆蓋層厚度比阿爾塔什水利樞紐工程的覆蓋層厚度淺約19 m。

阿爾塔什水利樞紐工程河床覆蓋層94 m的厚度在國(guó)內(nèi)外已有的30項(xiàng)水利工程報(bào)道中排在中國(guó)河南小浪底水庫(kù)之后,位居世界的第11位。位居國(guó)內(nèi)的第6位。

四川瀑布溝水庫(kù)壩高為186 m,河床覆蓋層厚度為75m,巖性為含漂卵石、砂層透鏡體;埃及阿斯灣(ASWAN)水庫(kù)225 m厚的覆蓋層巖性主要為砂層,壩高達(dá)111 m,而阿爾塔什水利樞紐工程河床覆蓋層厚度只有94 m,而且覆蓋層巖性主要為砂卵礫石層。

1.2 河床深厚覆蓋層基本物理力學(xué)性質(zhì)概述

上壩址河床0 m～5.0 m的砂卵礫石層＞5mm的顆粒含量約 75.2%,＜5 mm的顆粒含量約24.8%,砂含量約22.6%,不均勻系數(shù) Cu:324.30,曲率系數(shù) Cc:14.87,干密度2.23 g/cm3～2.26 g/cm3,相對(duì)密度Dr:0.7～0.79,密實(shí)。室內(nèi)在天然密度控制下的抗剪試驗(yàn)成果為:粘聚力 c值為25 kPa～ 52 kPa,平均值為 41 kPa,內(nèi)摩擦角值為 37.5°～ 40°,平均值為38°。根據(jù)室內(nèi)現(xiàn)有大型壓縮試驗(yàn)成果,卵礫石層在室內(nèi)100 kPa～400 kPa壓力下的壓縮系數(shù)為0.01,壓縮模量為121.1 MPa。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果,河床砂礫石層在4 MPa(相當(dāng)于壩基的最大荷載)壓力下的變形量?jī)H為2 cm～3 cm左右。試驗(yàn)所獲得的變形模量為45.7 MPa。

河床0 m～5.0 m的砂卵礫石層的滲透系數(shù) k=1.1×10-3cm/s～6.9×10-3cm/s,為中等透水層。平均剪切波速(Vsm)為409 m/s～429 m/s,深5.0 m處的剪切波速(Vsm)為440m/s～500 m/s,平均為457 m/s,按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203—97)[2],場(chǎng)地類型為Ⅰ類(500≥Vsm＞250)。

ZH1試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)成果表明,地基容許承載力f0試驗(yàn)值為500 kPa,建議值為350 kPa～400 kPa。

河床0 m～5.0 m的砂卵礫石層內(nèi)夾有少量砂層,砂層厚0.2 m～0.3 m,砂層顆粒分析及物理試驗(yàn)結(jié)果表明,不均勻系數(shù)Cu=1.1～19.1,曲率系數(shù) Cc=0.12～1.21,定名為級(jí)配不良中細(xì)砂(SP),天然干密度為1.48 g/cm3～1.78 g/cm3,Dr=0.68～0.79,為密實(shí)砂層。ZH2試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)成果表明,砂層容許承載力f0試驗(yàn)值為300 kPa,建議值為150 kPa～180 kPa。

河床5.0 m以下覆蓋層據(jù)ZK19和ZK20鉆孔巖芯資料,分別在孔深13.5 m和16 m處巖芯有鈣質(zhì)膠結(jié)小塊;場(chǎng)地地層剪切波波速大于500m/s的深度在4 m～10 m,相應(yīng)的建筑場(chǎng)地覆蓋層厚度為4 m～10 m(《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001中的4.1.4),一般地表7.0 m以下的砂卵礫石層剪切波速大部分為 500 m/s～1 300 m/s,已大于 500 m/s為堅(jiān)硬土;縱波波速7 m以下過(guò)渡為2 000 m/s～2 700 m/s,表明地層密實(shí)。電阻率 ρ=240 Ω·m～600 Ω·m,部分地段電阻率 ρ=600 Ω·m～ 900 Ω·m。

2 河床深厚覆蓋層鉆探工作中采用的主要方法和技術(shù)

2.1 河床深厚覆蓋層取芯鉆孔

2.1.1 取芯鉆孔的要求和鉆探

對(duì)于可行性研究階段河床深厚覆蓋層的鉆探要求是取出能滿足對(duì)河床深厚覆蓋層的分層、顆粒組成、砂卵礫石層的總體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析的原狀巖芯。

當(dāng)采用常規(guī)的泥漿跟管鉆進(jìn)、清水跟管鉆進(jìn)的鉆探方法時(shí)根本不能滿足地質(zhì)方面的要求。因泥漿跟管鉆進(jìn)獲取的巖芯基本為泥漿和砂卵礫石的混合物,取出的是完全擾動(dòng)巖芯,不能直接觀察地層的顆粒組成和其結(jié)構(gòu),根本不能夠滿足地質(zhì)方面對(duì)地層判斷的要求;當(dāng)采用常規(guī)的清水跟管鉆進(jìn)的鉆探方法時(shí),巖芯中雖然沒(méi)有泥漿的混合物,但取出的巖芯仍為完全擾動(dòng)體;做為循環(huán)液的水體已將地層中的細(xì)顆粒全部帶走,同樣不能夠滿足地質(zhì)方面對(duì)地層判斷的要求。

為滿足地質(zhì)獲取巖芯的技術(shù)要求,工程地質(zhì)鉆探方面引進(jìn)了雙管單動(dòng)、半合管跟管鉆進(jìn)的鉆探取芯工藝,同時(shí)采用中國(guó)成都水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SM植物膠和KL鉆井粉進(jìn)行鉆進(jìn)和保護(hù)孔壁及巖芯,使本工程在深厚覆蓋中獲取巖芯的地質(zhì)技術(shù)要求得到良好的滿足。如圖2。

圖2 阿爾塔什水利樞紐工程河床覆蓋層鉆孔巖芯照片

2.1.2 鉆孔巖芯的信息分析

在圖2(a)中,當(dāng)巖芯半合管被揭開時(shí)可清晰地觀察到被鉆覆蓋層的原始狀態(tài)。密實(shí)的砂卵礫石層、具有架空結(jié)構(gòu)的砂卵礫石層、何處易產(chǎn)生漏漿清晰地展示在取出的巖芯上。在圖2(b、c)中,被包裹在中細(xì)砂層內(nèi)的卵石被鉆頭清晰地切削了一半,鉆頭在切削卵石的過(guò)程中對(duì)旁邊的中細(xì)砂層沒(méi)有任何影響,中細(xì)砂層和卵石的分界面清晰可見。也清晰地展示了地層的直觀密實(shí)程度和缺少中間粒徑的架空現(xiàn)象。為工程地質(zhì)人員分析判斷地層的基本顆粒組成,結(jié)構(gòu)形態(tài)提供了清晰、直觀的巖芯樣本。

2.1.3 鉆進(jìn)過(guò)程的信息分析和主要鉆探參數(shù)

鉆頭在地下切削卵礫石和中細(xì)砂層所需的轉(zhuǎn)速、壓力和循環(huán)液的流速一般是有較大的差異的。在常規(guī)的鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆頭在地下切削卵礫石時(shí)將會(huì)產(chǎn)生牽引力而擾動(dòng)中細(xì)砂層和相鄰其間的細(xì)顆粒。循環(huán)液的流速、流量也是重要的參數(shù)之一,如果流速、流量過(guò)小,鉆頭在地下切削卵礫石時(shí)鉆頭可能被燒掉,而流速、流量過(guò)大,就有可能將卵礫石旁邊的中細(xì)砂和細(xì)顆粒沖掉和帶走。

采用雙管單動(dòng)、半合管跟管鉆進(jìn)的鉆探工藝,同時(shí)選擇合適的轉(zhuǎn)速、壓力和循環(huán)液的流速、流量,同時(shí)采用SM植物膠和KL鉆井粉進(jìn)行配置的循環(huán)液鉆進(jìn)既可獲得照片中的巖芯樣本。對(duì)河床深厚覆蓋層在鉆探滿足地質(zhì)取芯要求時(shí),鉆機(jī)鉆進(jìn)的基本轉(zhuǎn)速在500～800轉(zhuǎn)/min(5～6檔),鉆頭轉(zhuǎn)速較高時(shí),便于鉆頭對(duì)卵礫石的切削,鉆機(jī)鉆進(jìn)采用高速時(shí),轉(zhuǎn)速可在800～1 200轉(zhuǎn)/min,鉆進(jìn)效果會(huì)更好,但當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間采用高轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作鉆進(jìn)時(shí),可能對(duì)鉆機(jī)的機(jī)械損害較大,而且產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)也相對(duì)較大。

對(duì)河床深厚覆蓋層在鉆探滿足地質(zhì)取芯要求時(shí),鉆機(jī)鉆進(jìn)的工作壓力一般在500 kPa左右,當(dāng)孔深較大時(shí),鉆具的自重已能滿足鉆進(jìn)的工作壓力要求,當(dāng)鉆具的自重壓力超過(guò)500 kPa時(shí),要用負(fù)壓力進(jìn)行鉆進(jìn)。當(dāng)鉆進(jìn)工作壓力在500 kPa左右時(shí)已接近被鉆地層的極限承載力,便于鉆頭的下切。

對(duì)河床深厚覆蓋層在鉆探滿足地質(zhì)取芯要求時(shí),鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中的冷卻、潤(rùn)滑、護(hù)壁液以能向孔口返液即可,流量在47 L/min～52 L/min左右為宜,不同的孔徑其流量不同。

當(dāng)護(hù)壁的套管向下跟進(jìn)較困難時(shí),可在套管前采用孔內(nèi)爆破的方式松動(dòng)套管前的地層,以便套管的跟進(jìn),進(jìn)行該項(xiàng)作業(yè)時(shí)必須對(duì)套管前緣位置的深度和鉆孔的深度進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。

2.2 河床深厚覆蓋層進(jìn)行物探測(cè)試的鉆孔成孔工藝

2.2.1 河床深厚覆蓋層裸孔防塌的鉆孔成孔工藝

河床深厚覆蓋層進(jìn)行物探測(cè)試的鉆孔成孔要求是盡可能深的裸孔深度,裸孔深度越深,越便于物探測(cè)試工作的進(jìn)行,盡可能的保持孔壁的完整和整體性,便于物探側(cè)孔和其它測(cè)試工作的進(jìn)行。

在裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中防止孔壁垮塌是本次工作研究的重點(diǎn)課題之一,目前國(guó)內(nèi)已有的較好保持裸孔孔壁穩(wěn)定的方法是通過(guò)優(yōu)選鉆井液體系,優(yōu)化鉆井液配方,采用優(yōu)質(zhì)大分子聚合物包被劑,加強(qiáng)鉆井液的包被和抑制性能,采用大、中、小分子聚合物復(fù)配,配合適量潤(rùn)滑劑,改善泥餅質(zhì)量,調(diào)整、優(yōu)化鉆井液流型;通過(guò)合理調(diào)整泥漿密度,盡量減少壓差,實(shí)現(xiàn)近平衡壓力鉆進(jìn),維持近井壁帶地層原始?jí)毫ο到y(tǒng),以解決孔壁的垮塌問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定的目地。

在裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中要求保特鉆場(chǎng)周邊環(huán)境的相對(duì)安靜,爆破、強(qiáng)大的機(jī)械振動(dòng)等盡可能避免,以免孔壁的泥餅因振動(dòng)而脫落,產(chǎn)生井壁的垮塌現(xiàn)象。

對(duì)于阿爾塔什河床深厚覆蓋層而言,因其部分深度內(nèi)地層中常缺少中間粒徑、地下透水量及流速較大、有時(shí)起下鉆速度過(guò)快、起下鉆次數(shù)過(guò)多,產(chǎn)生抽吸作用;鉆井周期過(guò)長(zhǎng),孔壁泥漿浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng),剝落掉塊,使井壁失穩(wěn),孔內(nèi)垮塌現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。采用常規(guī)的鉆探護(hù)壁成孔和獲得盡可能深的裸孔深度是極為困難的,該工程采用了多級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu),配合多層技術(shù)套管護(hù)孔的技術(shù)措施[3],以能滿足物探測(cè)孔的基本分段要求,最終完成了在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的各項(xiàng)物探測(cè)試工作。

在裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中,最大單次裸孔深度為35 m,完成物探測(cè)試工作后下入套管護(hù)孔,再進(jìn)行下一段的裸孔鉆探。

在裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中采用優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行護(hù)孔,在泥漿中加入適量的植物膠、聚丙烯酰胺(PHP),較好地解決了阿爾塔什河床深厚覆蓋層這種復(fù)雜地層的護(hù)孔問(wèn)題,保證了鉆孔較為順利的施工。

在裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中防止孔壁垮塌方面,主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,從物理和化學(xué)兩方面入手,選擇合適的鉆井液密度平衡地層壓力的同時(shí),抑制、封堵相結(jié)合[4],以保持井壁的穩(wěn)定性。

2.2.2 河床深厚覆蓋層裸孔防漏堵漏的技術(shù)措施

在裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)防漏堵漏是本次工作中研究的另外重要課題。在本工程的河床深厚覆蓋層的裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中,常有不返液的現(xiàn)象,有時(shí)一池漿液在鉆進(jìn)時(shí)10min～20 min即漏光,使得鉆探工作無(wú)法正常進(jìn)行,在嚴(yán)重的漏漿段,為封堵漏漿投下的水泥球和粘土球,隨投隨即被地下水沖走,另外,漿液的配制使用了SM植物膠和KL鉆井粉,成本相當(dāng)高,嚴(yán)重漏漿經(jīng)濟(jì)損失很大。

本工程在河床深厚覆蓋層的裸孔鉆進(jìn)過(guò)程中,除了常規(guī)的堵漏措施以外,主要使用了SM植物膠、聚丙烯酰胺(PHP)等,使?jié){液呈粘稠的、拉絲狀、具有較好粘性的膠體狀物體,對(duì)一般的漏漿段取得了較好的封堵效果,對(duì)嚴(yán)重的漏漿段還必須采用套管進(jìn)行封堵。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)為最大限度地滿足工程地質(zhì)人員所需的地層原狀巖芯,本工程采用了目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的雙管單動(dòng)半合管、SM植物膠跟管鉆進(jìn)、及時(shí)調(diào)整護(hù)壁漿液等方法,使得深厚覆蓋層的鉆探工作順利進(jìn)行。

對(duì)于進(jìn)行物探測(cè)井、獲取測(cè)井參數(shù)的鉆孔主要使用了常規(guī)的泥漿、SM植物膠、聚丙烯酰胺(PHP)護(hù)壁、裸孔鉆進(jìn)→物探測(cè)井→跟進(jìn)套管的循環(huán)作業(yè)方法,順利完成了該項(xiàng)工作。

(2)河床深厚覆蓋層內(nèi)的部分層位具有架空結(jié)構(gòu),為卵礫石層,鉆進(jìn)通過(guò)時(shí)極易垮塌,地層為強(qiáng)透水層,護(hù)壁漿液極易漏失,本工程地質(zhì)鉆探工作中最有效的防止垮埸孔、孔內(nèi)的防漏堵漏的方法是快速通過(guò)、采用了套管進(jìn)行護(hù)壁封堵。

(3)阿爾塔什河床深厚覆蓋層到目前為止取芯鉆孔和主要的物探測(cè)試孔是分別實(shí)施的,可獲得豐富的地質(zhì)信息,但成本相對(duì)較高,目前還沒(méi)有一孔多用的較為理想的鉆探成孔工藝。對(duì)鉆探工作的研究還有待于進(jìn)一步繼續(xù)進(jìn)行。

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[2] SL203—97.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1997.

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