帷幕灌浆孔偏斜成因的分析及KXZ-1A型数字测斜仪的应用

吴 玉 良, 康 路 明

(1.中国水利水电第七工程局有限公司, 四川 成都 611730;2.中国水利水电第五工程局有限公司,四川 成都 610225)

1 概 述

长河坝水电站系大渡河干流水电规划“三库22级”中的第10级电站,采用首部式地下引水发电系统开发,电站总装机容量为2 600 MW。拦河大坝最大坝高240 m,坝底高程1 457 m,坝基覆盖层厚达50余m,坝顶高程1 697 m,正常蓄水位高程为1 690 m。引水发电系统布置于大坝左岸,泄洪放空系统布置于大坝右岸。大坝主防渗帷幕通过布置在左、右岸各5层灌浆平洞、河床基础廊道内及在岸坡混凝土板上钻孔灌浆形成;坝基及厂区防渗帷幕采用2排,孔距2 m、排距为1.5 m的布置方式,主帷幕深度一般为40～66 m,最大深度约为170 m,设计顶角偏向上游0°～9°不等,与铅直孔相比孔斜控制难度大,工程总量达230 949.42 m。

通过对左、右岸灌浆平洞开挖后揭示的地质情况进行分析得知:左岸以“Ⅱ、Ⅲ”类围岩为主,右岸以“Ⅲ、Ⅳ”类围岩为主并伴有“Ⅴ”类围岩。因此,破碎岩层往往呈现为软硬岩层共存,钻头在遇到软硬不同的岩层时极易导致钻孔偏斜。

众所周知,影响灌浆质量的因素很多,其中钻孔产生的偏斜对灌浆质量的影响较大。如果其偏斜率过大,不仅对钻孔质量有影响,而且对帷幕灌浆“阻水幕”的连续性影响更为巨大,使本来该充填的灌浆区域因孔斜偏大而未能充填形成漏灌区,进而严重影响灌浆质量。在钻孔施工过程中,如果钻孔偏斜率超过了相关规程、规范允许值,则会在灌浆之后不能形成连续有效的帷幕进而导致其无法达到帷幕防渗的目的。因此,在帷幕钻孔过程中,应通过测斜设备随时了解各帷幕孔段的实钻情况,以便于分析帷幕的施工质量,从而保证帷幕的连续性、完整性及密实性。本文阐述了对帷幕灌浆孔偏斜成因进行的分析及KXZ-1A型数字测斜仪的应用。

2 钻孔偏斜成因分析及产生的主要影响

(1)场地平整度和密实度差,钻机安装不平整或钻进过程中发生了不均匀沉降而导致钻孔偏斜。“当钻孔偏斜较大,会直接削弱浆液扩散效果,影响帷幕的合理搭接,难以保证主体工程质量”[1],“严重的偏斜会很容易产生孔壁坍塌、掉块、岩层错动而使原有地层的活动性增加,稳定性减弱,影响范围亦相应扩大,使孔内埋钻、卡钻、挤夹事故发生的频率增加”[2]。

(2)由于钻杆弯曲、钻杆接头间隙太大而造成钻孔偏斜。“钻进时出现钻孔偏斜,将会使钻杆在钻孔内出现变形,若是立轴钻杆将回转动力传输到钻头时,会影响到钻头的回转、降低其稳定性而导致磨损钻头的现象发生,降低钻进效率”[3]。

(3)钻头翼板磨损不均,钻头受力不均而造成钻杆偏离钻进方向。

(4)钻进中遇软硬土层交界面或倾斜岩面时,钻压过高使钻头受力不均而造成偏离钻进方向,“将会导致钻进时不能采用快速钻进的方法而导致钻具折断”[4]。

(5)钻进过程中未根据实际地质情况采取合理的措施控制孔斜的产生。

“为防止孔斜的发生,应对孔斜及时进行测量,准确地掌握钻孔的偏斜情况以便及时处理”[5]。因此,必须选用合理的设备对孔斜进行监控测量,以保证将钻孔的偏斜率控制在设计要求的范围内。

3 测斜设备的选择及参数

项目部借鉴新安江、富春江等电站大坝帷幕钻孔施工中通过自上而下分段测斜、确保帷幕施工质量的成功案例,结合长河坝水电站帷幕工程量大、需要测量的孔段多、工作面分散的具体情况,认为该工程需要选用一种便于野外现场操作及携带、精度高、整理资料便捷、防水性能好的测斜设备以确保帷幕灌浆的成孔质量。项目部结合以上需求,在测斜设备选型中主要对KXZ-1A数字测斜仪进行了综合分析与研究。

KXZ-1A数字测斜仪既可用于垂直或定向井(孔)的顶角和方位角的高精度测量,也能够准确地测量钻孔深度等参数。该仪器由笔记本电脑(自备)、地面控制单元、测斜探管三部分组成;采用数据编码长线传输技术与电缆传输,数据准确可靠;采用高性能传感器测量结合数字信号处理技术,其测量结果精度高、稳定性好;由RS-232串行口直接将数据上传至笔记本电脑,能够显示清晰、直观的测量数据及平面、剖面、侧面投影图并存储测量数据;其可连接彩色喷墨打印机,可以打印A4版面的测斜数据、平面、剖面、侧面投影图及空间轨迹图;测斜过程中可同时测量钻孔深度;该仪器操作简单,适合于野外作业使用,具体的测试参数见表1。

表1 测试参数表

根据该设备的特点及现场生产实际精度需求(钻孔顶角为0°～9°,方位角为N8°E)进行分析后得知:KXZ-1A 数字测斜仪整体性能能够满足实际生产需求。因此,长河坝工程最终选用KXZ-1A 数字测斜仪对钻孔偏斜进行控制。

4 KXZ-1A型数字测斜仪的运行情况

首先,打开资料设置页面,输入孔号、工程名称等基本信息;其次,进入测量页面,先将“仪器检查”点开,待顶角方位角归零后再逐段进行测量。孔斜测量情况见图1;最后,测量完毕,进行“保存数据”,点击“打印”进入打印预览页面,可以根据测量资料以此生成平面、剖面、侧面及空间投影图。钻孔及测斜数据图形报告见图2。

图1 孔斜测量示意图

图2 钻孔及测斜数据图形报告图

5 KXZ-1A型数字测斜仪在钻孔过程中起到的纠偏作用

(1)在帷幕灌浆孔口管埋设阶段,借助该仪器对孔口管埋设的顶角和方位角进行高精度校准,以确保钻机开孔时的初始孔斜精度满足要求。

(2)结合钻进深度,特别是对于不良地质段,宜将帷幕钻孔测量频率控制为:0～20 m为每5 m测量一次,20 m以下为每10 m测量一次,同时准确地测量出钻孔深度等参数。

(3)终孔后、尚未封孔前,利用KXZ-1A型数字测斜仪对钻孔进行校正复核一次,若孔斜偏差超出设计偏差范围,则根据测量参数进行纠偏,直至其符合灌浆设计要求。

6 应用KXZ-1A型数字测斜仪取得的成果

鉴于长河坝水电站高标准的设计防渗要求及复杂的地质条件,自使用KXZ-1A型数字测斜仪用于控制帷幕成孔质量以来,现场成孔质量管控效果极为显著,孔底偏差均在规范规定的范围以内,现列举具有代表性区域的测斜成果供分析、研究。左岸高程1 640 m灌浆平洞(孔号:CZ2WJS1-8-3)测斜成果见表2、右岸高程1 520 m灌浆平洞(孔号:CY4W4-2-8-2)测斜成果见表3。

表2 左岸高程1 640 m灌浆平洞(孔号:CZ2WJS1-8-3)测斜成果表

表3 右岸高程1 520 m灌浆平洞(孔号:CY4W4-2-8-2)测斜成果表

KXZ-1A型数字测斜仪在该工程帷幕钻孔施工中的应用,既减轻了因成孔质量低下带来的返工风险,节省了建设成本,又保证了帷幕成孔质量,提高了单元成孔一次性合格率,从根本上保证了帷幕灌浆幕体的实体质量。

7 结 语

KXZ-1A型数字测斜仪在长河坝水电站帷幕灌浆成孔质量控制中取得了成功的应用。整个水库蓄水期间,长河坝水电站大坝沉降、位移等变化值均较小,坝体渗流量小于设计值。2017年11月17日,国家能源局对长河坝水电站进行了巡视检查,通过数据分析,坝后渗漏量仅为设计值的四分之一,对此,国家能源局给予“可以复制、难以超越”的高度评价。该仪器操作简便,精度较高,实用性较强,可直接打印测斜数据表、平面投影图、空间轨迹图、剖面投影图、侧面投影图等。该仪器的引进为长河坝水电站帷幕灌浆成孔质量控制提供了一种便捷、有效的手段,对于水利工程帷幕灌浆施工成孔质量控制具有借鉴意义。