金田水庫砌石壩斜孔造孔灌漿總結

廣西桂平金田水庫大壩為漿砌石「T」形支敦壩，建於1970年，最大壩高53 m，壩頂長245 m。該壩砌築時採用低標號的水泥石灰混合砂漿，石塊採用當地的紅色細砂岩。經過20多年的運行，整個大壩滲漏比較嚴重，到處可見流白漿現象。為保證大壩的安全，經自治區水電廳同意對大壩進行除險加固灌漿處理。
經原玉林地區水電設計院設計，大壩造孔灌漿從壩頂分上、下兩排進行。排距1.40 m，孔距3.0 m，上、下游孔呈品字形互相錯開。鑽孔向上游傾斜，頂角15°(溢洪道段6°)。鑽孔灌漿按分序加密的原則進行，先施工完下游排再施工上游排，同一排灌漿孔分2個次序施工。灌漿採用自上而下分段鑽孔灌漿法。在本文中，主要就自上而下分段鑽孔灌漿的斜孔造孔作一些粗淺的分析。
1　造孔
1.1　準備
1.1.1　鑽機及鑽具的選擇
本工程主壩段孔深一般為56.0 m左右，壩肩相對較淺，20 m左右。原設計採用不小於150型的鑽機造孔。根據我單位的施工經驗以及機械設備的場地條件，我們認為採用100型鑽機也可以達到技術要求，並能保證工期的完成。在金田工程我們採用1台XY-1A型，1台XY-1A移機型，1台XJ100-2型鑽機，全部鑽機為北京探礦機械廠生產。支架用與機座連接的斜鐵架，提升滑輪固定。鑽具參數選擇：①鑽頭的選擇。由於金田水庫大壩是砌石壩，石質堅硬，如果採用硬質合金鑽頭鑽不動，而如果採用鋼砂(鐵砂)鑽頭，因漿砌石孔隙大，相當於鑽進破碎岩層，鐵砂易於漏掉而不宜採用，又因是斜孔鐵砂不易均勻沉積在孔底。故不得不採用金剛石鑽頭及與之相匹配的擴孔器。②岩芯管的選擇。根據我單位以前施工的北流龍門水庫漿砌石大壩，以及其他鑽探工程來看，鑽進砌石壩相當於鑽進破碎岩層，如果採用雙管岩芯管，要求卡簧、卡簧座、短接之間的選擇要求十分嚴格，不然短岩芯進入到內管后，易於造成卡管，不能鑽進，只好提鑽處理，影響回次進尺。而採用單管岩芯管，不易造成卡芯事故，起鑽取芯時，只要從鑽桿內孔放砂或短鐵絲就可以得到較高的取芯率，取芯率完全達到灌漿孔的技術要求。根據設計要求，鑽頭採用Φ75 mm金剛石鑽頭，在選擇鑽具供應商時，根據我們以前使用金剛石鑽探的經驗，及在金田水庫大壩施工開始前多個供應商提供的樣品試驗比較，從鑽進效率和技術成本分析，及與供應商的合作情況，選擇如下：鑽頭採用湖南永州金剛石研究所的Φ75電鍍金剛石鑽頭，擴孔器採用湖南長沙二三三廠的擴孔器，岩芯管採用二三三廠的單管岩芯管，長度最長3.50 m。鑽桿長度為2.0 m～4.60 m，直徑Φ50 mm。鑽具螺牙與鑽桿同心，鑽桿與岩芯管要求常進行直線檢查，不合要求的要經矯正符合要求方可使用。
1.1.2　鑽機就位
進場開工前，先由甲、乙方技術人員會同設計人員進行孔位放樣。根據孔位位置移機到位。要求鑽機機架長軸方向平行於孔位軸線方向。用水平尺調整鑽機水平。調整立軸，使之垂直於孔軸線，並與地面水平面成75°角，角度測量採用垂錘，依三角形原理測量計算得出。上述做好后，在鑽機機座四周用衝擊鑽打孔，打入鋼筋或膨脹螺釘緊固機架，並用木頭支撐碼實。再次檢查鑽機水平及立軸角度，機架長軸是否與孔位軸線平行。該項工作甲、乙雙方技術人員在場檢查、測定。
1.2　造孔
1.2.1　開孔
以所定的孔位中心為圓心，用油漆畫1個圓，直徑約為8 cm。依此圓，有時人工鑿孔深2 cm～3 cm，有時採用1人操作鑽機，另外1人～2人用工具固定控制開孔鑽具的擺動，採用中速檔(285 r/min)低壓開孔。
1.2.2　鑽進
(1)　開孔。經第一次取芯后，盡量換成長岩芯管鑽進。例如第一次開孔鑽具長為60 cm，進尺為70 cm，取芯后，採用長1.2 m左右的鑽具，一般進尺可達1.5 m左右，提鑽后，應換成大約2.50 m的鑽具，並儘快換成3.50 m的岩芯管。根據斜孔造成孔斜的原理，當然採用越長的同徑岩芯管越好控制孔斜。但岩芯管太長，與孔壁的摩擦力增加很大，鑽機轉動及提鑽受力很大，減少鑽機的使用壽命，一般我們用3.50 m的同徑岩芯管已經能很好控制孔斜，達到設計要求，鑽機受力也不是太大。另外，開孔鑽進盡量使用新的擴孔器，因為舊的擴孔器已經過磨損，如開孔用舊擴孔器，孔徑變小，在下續鑽進再換用新的擴孔器，因孔徑變小，常要經掃孔才能下到孔底。
(2)　在正常鑽進情況下，使用570 r/min，這既符合金剛石鑽頭的使用規程，也與實際情況相符。根據屠厚澤等人提供的不同岩層孕鑲金剛石鑽頭轉速公式：
n=60 V_k/πD
式中：n——鑽頭的轉速，r/min；
　D——鑽頭直徑，m；
　Vk——推薦的線速度，m/s。

表1　不同岩層金剛石鑽頭鑽進推薦線速度表

鑽頭類型岩　層推薦線速度/m.s^-1 孕鑲鑽頭中硬～硬
堅
硬 1.8～3.0
1.5～2.0 表鑲鑽頭軟～中硬
中硬～硬
硬～堅硬 2～2.5
1.5～2.5
1～2 我們使用的是Φ75孕鑲金剛石鑽頭，岩性為中硬～硬，故選用線速度為2.3 m/s，經計算n=60×2.3/3.14×0.075=586 r/min，這與我們鑽機的轉速中速檔570r/min是一致的，經實際檢驗也是可行的。
(3)　鑽壓不宜太大，一般為2 MPa～3 MPa。更大的鑽壓，更高的轉速，都不太適合於金田電站大壩。金田大壩為砌石壩，相當於鑽進破碎岩層，高轉速及大鑽壓，易造成胎體崩裂破壞，從而縮短鑽頭壽命，也易引起孔斜。
1.2.3　孔斜的控制
鑽機本身、主動鑽桿以及整個鑽桿柱的振動，是造成孔斜的一大原因。而導致上述振動的原因一般是，傳動齒輪咬合的空隙大，機座導向磨損嚴重，機座與機架卡死，液壓缸導向桿磨損，不均衡的卡盤，以及磨損的卡瓦和其他故障等。因此，我們要求：不合格和磨損超過要求的機部件不使用；儘可能準確地使主動鑽桿在立軸卡盤上定中；不允許使用已磨損、有壓傷的或總彎曲度超過1 mm/m的主動鑽桿；使用較輕的水籠頭。
隨著孔深的進展，受鑽壓及鑽桿自重和轉動時產生的離心力的作用，鑽桿易於彎曲及擺動，碰撞孔壁造成斷桿或是鑽頭胎體受壓不均，從而引起孔斜。原來我們考慮採用與擴孔器同徑導向輪來控制，後來經過試驗，我們採取：①將連接岩芯管上部的變徑接頭嵌4排合金(4條長條狀合金)，嵌合金半徑與擴孔器半徑相近；②用一個岩芯管變徑接頭(與擴孔器同徑，有水槽)接到岩芯管上部開頭的4根～6根鑽桿連接處，起到定心器的作用。這樣，減少鑽桿與孔壁間的摩擦，同時，排除了鑽桿柱下部軸心與鑽孔軸心的偏離，並減少其橫向振動。在鑽進過程中，要求盡量使用長岩芯管。另外，無論是交接班或是正常鑽進過程中，要求當班班長注意檢查機座是否穩定，立軸螺絲是否鬆動，如有鬆動應緊固。在每一灌漿段鑽進結束后，要求用測斜儀檢測孔斜是否在設計範圍內。如果孔斜超出設計範圍，相應段在灌注水泥漿后待凝時間相應延長。復鑽(掃水泥)時，使用長岩芯管，並將導向裝置(變徑接頭)位置適當縮短，都能糾正過來。本工程經採取上述措施后，經終孔檢測，孔斜都在設計允許範圍之內。
1.2.4　復鑽
金田水庫大壩灌漿初設時採用的是自下而上分段灌漿，段長3 m～5 m。經過試驗，為更加保證質量，並經設計單位和工程指揮部同意，改為自上而下分段灌漿，段長5 m～8 m，待凝時間5 h～8 h，因而存在復鑽(掃水泥)問題。復鑽時，要注意鑽進時效，採取小鑽壓，中轉速，大泵量。小鑽壓，嚴格控制進尺，減少每轉的切入深度，注意孔口迥水和水泵泵壓。發現迥水變細或泵壓變大，應即提鑽，否則極易造成燒鑽、埋鑽，處理不當，會造成報廢孔。就是在正常情況下，也要求常將鑽頭提起一定高度，沖洗一定時間後繼續鑽進。復鑽產生的岩粉(水泥粉)比正常鑽進岩石產生的岩粉多得多，故而要求更多的沖洗液才能及時將岩粉(水泥粉)沖走，帶出孔口。為此，我們使用灌漿用的隔離泵，設計泵量為60 L/min，一般泵壓達到1.0 MPa。泵量小，岩粉沖洗不及時，常會引起岩粉(水泥粉)堵塞鑽頭水口，造成燒鑽、埋鑽。鑽機轉速一般採用中速檔285 r/min較普遍。實際鑽進表明，機械鑽速與鑽壓和轉速乘積(Pn)，在一定範圍內具有正比關係，即：

V∝Pn。

式中：V——機械鑽速；
　P——鑽壓；
　n——鑽頭轉速。
在實際施工中，根據各孔段的情況，由當班機長作適當調整Pn值。實踐證明，控制Pn值就是控制鑽進時效，因而控速鑽進是合理的。2　灌漿
金田水庫大壩灌漿我們採用的是雙管栓塞灌漿，一次升壓灌注純水泥漿。在每段灌漿前，都進行簡易壓水試驗。根據簡易壓水試驗值，一般開灌水灰比採用5∶1(極少數採用8∶1)，其它比級分別為3∶1，2∶1，1∶1。根據灌漿實際情況，主壩及排洪道每段耗水泥量約為60 kg/m，右壩肩相對大些，一般耗水泥100 kg/m左右。我們認為該砌石壩沒有存在太大的裂隙，故不應採用更大的比級(超過1∶1)，不應該也不必採取越級變濃。右壩肩耗漿相對較大，除了ZK2-3號孔段，在6.4 m～8.0 m發現為一空洞，共耗水泥8 400 kg外，其餘都是在基岩接觸部位，基岩較破碎、風化嚴重。但根據相鄰孔基岩部份的岩芯來看，未發現水泥，故不應採取更濃(超過1∶1)比級的濃漿。
在灌漿過程中，如遇從壩體冒漿、漏漿，主要採取人工封堵，低壓、限流、濃漿、間歇灌漿高壓復灌等措施進行處理。如在灌注ZK2-29號孔8.0 m～16.0 m段時，從內坡約12.0 m處有兩小孔射漿，經將壓力降至0.05 MPa，漿液濃度採用1∶1灌注，約20 min后，射漿漸停。然後，將漿液改為2∶1，壓力增大到最大壓力0.5 MPa仍然去漿，但未發現這兩個孔繼續冒漿，而後將壓力降到0.3 MPa，直到灌漿結束。3　結論
金田水庫大壩右壩段經採取上述方法處理后，經檢查孔(2孔)壓水試驗，合乎設計要求，壩后滲水也大大減小，基本沒有流白現象，達到了預期效果。
　