水力論文：丹大壩勘察水上鉆探的分析與研究

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　　蘇丹大壩勘察水上鉆探的分析與研究
　　謝永亮
　�。ㄈA北有色工程勘察院石家莊050021）
　　摘要：大壩勘察必須準確查明河底地層，即沉積物的厚度、分布、巖性及透水性。由于鉆機與井口之間隔著一層深度不等的河水，大大增加了水上鉆探的復雜性，需要考慮河水深度、流速、到岸邊的距離以及風浪等影響因素，因此水上鉆探具有技術(shù)要求高、施工條件復雜、未知因素多等特點。本文總結(jié)了蘇丹Dagash水利水電大壩水上勘察經(jīng)驗，對水上鉆探出現(xiàn)的問題進行了分析與研究，為以后類似工程施工提供了一些參考。
　　關(guān)鍵詞：大壩勘察，水上鉆進，存在問題，解決方法。
　　水上鉆探是通過浮船或平臺用陸上鉆探設備，在水上進行鉆探的一種方法。隨著鉆探工藝的發(fā)展，不斷出現(xiàn)新的施工方法和手段，工程施工管理體制逐步與國際接軌。
　　華北有色勘察院從2006年起，相繼完成了蘇丹六個水利水電大壩的地質(zhì)勘查工作，Dagash是其中最大的一個大壩勘察項目，遵循英國場地勘察實施規(guī)范(BS5930)，從技術(shù)到鉆探得到了蘇丹政府的充分認可，打開了華勘院在國外的勘察道路。
　　1水上鉆探流程
　　1.1選擇鉆機
　　(1)根據(jù)地層、鉆孔深度、鉆孔角度和鉆孔直徑選擇鉆機；
　　(2)在滿足條件1）的情況下，應選擇體積小、重量輕的鉆機；
　　(3)一般選擇CY-300、CY-600、HXY-4T型鉆機。
　　Dagash大壩工程選擇CY-600、CY-300和HXY-4T型鉆機。
　　1.2組裝鉆探平臺
　　每個鉆探平臺均由兩個12m長、1.5m寬的船型浮箱并排連接組成，二浮箱間距宜控制在1.0m~1.5m。上面配有鉆機、發(fā)電機、泥漿泵、電動卷揚（2個）及其它附屬設備，如有需要每個平臺可安裝4個活動支腿。
　　1.3移動鉆探平臺
　　根據(jù)水面及鉆孔情況，可選擇以下方式：
　　(1)用船拖動；
　　(2)用卷揚機鋼絲繩拉動。
　　本工程選擇用2條60馬力的小船拖動平臺。
　　1.4固定鉆探平臺
　　(1)河面較窄時可以在河面上橫拉一根鋼絲繩固定平臺；
　　(2)用錨固定平臺，錨可分為：重力錨、鉆孔錨、打入錨、一般的三爪或四爪錨。
　　重力錨，是用鐵籠子裝上石塊制成，重約3~4噸；鉆孔錨，根據(jù)鉆孔定位的需要，一部分鉆孔封孔時預先埋入鋼絲繩作為其下游鉆孔的錨；打入錨，在指定位置，用重錘將帶有鋼絲繩的鋼管打入河底的砂層中。
　　固定鉆探平臺的步驟：①按著設計好的坐標拋重力錨，錨繩采用Φ15~25mm的鋼絲繩，長50~100m，錨漂處要預留鋼絲繩套。②用船推動平臺到達錨漂下游20~30m處，用另一條小船拖著平臺的攬繩(采用Φ15mm的鋼絲繩)與錨繩連接好。③減小平臺的推動力，使平臺緩慢順水而下，最終使攬繩拉緊固定住平臺。④在測量人員的指揮下調(diào)整攬繩的長度使平臺準確的定位在鉆孔坐標上，收緊攬繩把平臺固定好。
　　1.5水上鉆孔套管的固定
　　(1)準確測量河水深度，用于確定套管的長度。
　　(2)下護管：由于河水流動，套管不易下直，應先下護管，護管采用Φ168mm套管，一般長度為3~5m。下護管的方法是：在平臺定位之前，將護管的上端固定在鉆孔孔口，但能轉(zhuǎn)動，下端穿過固定在平臺下面的支架上。必要時可以用計算好長度的鋼絲繩拉緊導正管下端，與平臺前部兩個船型浮箱的槽鋼連接當護管下入河水后，河水的沖力自動把護管沖成垂直的（若是斜孔，方法一致，長度另外計算）。
　　(3)下套管：如果河水較淺且水流不急，可以不下護管直接下套管。在有護管的鉆孔，套管從護管內(nèi)下入。第一次套管進入河底砂層一般不小于1.5m。
　　1.6水上鉆探工藝的選擇
　　(1)覆蓋層鉆探工藝：采用Φ108mm單管鉆具，合金鉆頭，孔底局部反循環(huán)工藝[1]。具體方法為：第一步鉆進，鉆具一定要超過套管，避免鉆具與套管之間有大量砂土沉淀使兩者擠死，套管跟著鉆具轉(zhuǎn)；第二步下套管，把套管打入到鉆進的深度，套管連接處一定要焊接牢固，避免鉆進過程中脫扣；第三步?jīng)_洗套管內(nèi)殘余巖粉，用Φ108鉆具，正循環(huán)工藝，把套管內(nèi)的殘余巖粉沖洗干凈。要注意不能過度沖洗，沖洗深度不能超過鉆孔深度。
　　(2)基巖鉆探：鉆到基巖后應馬上換Φ108雙管單動鉆具，金鋼石鉆頭，因為上部風化嚴重不易取芯，下部比較完整容易采芯。
　　2施工環(huán)節(jié)的問題及其解決方案
　　2.1工程背景
　　Dagash位于蘇丹喀土穆北部，距離蘇丹第四大城市阿特巴拉200公里，全區(qū)水源匱乏，除沿河流域可耕作外，北部大多是沙漠戈壁，水、電缺乏一直制約著蘇丹北部工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在此修建水利水電大壩迫在眉睫。
　　該地區(qū)巖層以片巖為主，水流相對平穩(wěn)，水面寬400m左右，覆蓋層相對較厚，一般在40m左右,是典型的河流沉積相。
　　2.2現(xiàn)場試驗問題
　　(1)現(xiàn)場試驗包括標準貫入試驗、靜力觸探試驗、壓水試驗、滲透試驗等，依照英國場地勘察規(guī)范和工程合同要求，覆蓋層中每5米做一個降水頭（或定水頭）試驗，基巖中每5米一個壓水試驗[2]。要求孔內(nèi)試驗段必須準確無誤，孔內(nèi)沉淀不得超過30cm，這是我們面臨的最棘手的問題。
　　沉淀不易沖凈的原因有以下幾點：
　　①套管內(nèi)殘留沉淀較多，有一定的粘性；
　�、诳變�(nèi)沉砂較多，用清水沖孔以后，部分砂土回落；
　　③套管下部沙層較厚，沖完孔提鉆過程中由于倒吸作用，使套管外的砂子涌進，導致沖孔失敗。
　　解決方法:跟管鉆進，設置取粉管，大泵量配合沖孔，提鉆過程中在套管口補給清水，用來防止倒吸。
　　2.3取芯問題
　　(1)砂層取芯
　　①砂層取芯難的原因是：鉆桿內(nèi)部充滿了河水，對砂層有一定的沖刷作用，單純的孔底局部反循環(huán)，不能完全吸住巖芯管內(nèi)部的巖芯，沒有專用鉆頭卡取松散的砂子。
　　②解決方案：加工原有合金鉆頭，在鉆頭體內(nèi)部添加雙翼(半圓狀魚尾)，上部固定膠墊，調(diào)節(jié)噴反鉆具，鉆進過程中配合沖擊、回轉(zhuǎn)的方式取芯。
　　(2)卵礫石層取芯
　�、俾训[石層取芯難的原因是：卵礫石硬度大、渾圓度高、礫徑不一、易坍塌掉塊、鉆頭不易卡取。
　　②解決方案：若直徑較小且大小相近，采用上述的射流孔底反循環(huán)的方法；若直徑較大，采用雙管鉆進或自制的錨鉆；若礫徑大小不一，采用單管錨鉆頭。
　　(3)強~全風化巖層取芯
　�、購妦全風化取芯難的原因是：地層交錯、風化程度不均、構(gòu)造破碎帶較多，再加上片巖隨著風化程度的增加，結(jié)構(gòu)變化較大，強度很低，巖芯變的松散易碎，鉆進過程中受水的沖蝕作用，巖芯隨水流流失。
　　②解決方案：鉆進過程中遇到構(gòu)造破碎帶，及時更換雙管單動鉆具，調(diào)整鉆進的規(guī)程參數(shù)，輕壓慢轉(zhuǎn)，縮短回次進尺，必要時采用自制錨鉆頭；遇到強~全風化地層，及時采用孔底局部反循環(huán)，以免巖芯被沖走。
　　2.4套管問題
　　(1)跟進套管
　�、匐y以跟進的原因:覆蓋層厚且變層較多，礫石隔層分布厚度較大，水流沖擊平臺穩(wěn)定性較差。
　�、诮鉀Q方案:砂層中采取先取心疏松地層再跟管的方法；礫石層先用砂層中的方法，如若不行采取水泥注孔或下雙層套管；巖層中采取先取心、再擴孔，然后下管的方法。
　　(2)起拔套管
　�、匐y以起拔的原因是:套管穿過的覆蓋較厚，水上平臺的穩(wěn)定性較差。
　�、诮鉀Q方案:采用帶配重的沖擊杠，向上慢慢敲打套管，逐根拆除，直至套管全部拔出。
　　(3)套管折斷的處理
　�、僬蹟嗟脑蛴�:風浪或水流大引起的平臺搖晃，使套管折斷或折傷；焊接加固部位不牢，不能承受沖擊力。
　�、诮鉀Q方案:準確計算套管折斷的位置，若這段處位于河底砂層以上，配置相應的絲錐，耐心打撈；若套管斷于砂層中，放棄打撈，打事故報告通知監(jiān)理。
　　3小結(jié)
　　通過對水上施工過程的分析與總結(jié)，了解了工程當中的薄弱環(huán)節(jié)，其中的一些隱患問題可以提前排除，這樣不僅豐富了施工經(jīng)驗而且提高了工程的安全系數(shù)，達到了安全與效益的雙豐