徐文峰1 李晓军2 伍元杰3
中国水电基础局有限公司，天津 301700
【摘要】通过泸定水电站坝基补强帷幕灌浆工程的不断探索和试验，总结出了高水头动水条件下深厚覆盖层钻孔施工成套技术，可供类似工程借鉴。
【关键词】高水头动水条件;深厚覆盖层;钻孔技术研究
1 研究背景和目的
目前，国内病险水库已经进入除险加固高峰期，且相关市场仍在扩大中。防渗体系功能的降低甚至失效是最常见的问题之一。近年来，因坝体渗漏、坝基渗漏、涵管渗漏等工程的实际需要，灌浆技术在这个领域得到了广泛的应用，取得了显著的工程效果。但是，高水头动水条件下深厚覆盖层灌浆钻孔仍是一个没有解决的难题。为此，我们以泸定水电站坝基补强帷幕灌浆工程为依托，对这个问题进行了深入系统的研究。
泸定水电站位于甘孜州泸定县境内，大渡河干流中游，为大渡河干流规划调整推荐22级方案的第12个梯级电站，坝址距下游泸定县城2.5km。泸定水电站采用大坝挡水、右岸引水至地面发电厂房的混合式开发方式。水库正常蓄水位为1378.00m，总库容2.195亿立方米，具有日调节性能，装机容量920MW。
泸定水电站运行良好，单独运行时，多年平均年发电量为37.82亿Kw·h，装机年利用小时数为4111h。当与双江口水库联合运行时，泸定水电站多年平均年发电量为39.89亿kW·h，装机年利用小时数为4335h。但在运行期间，泸定水电站大坝下游河道右岸出现涌水，涌水点高程约1306m，涌水含砂。为保证泸定水电站采用大坝继续安全可靠的运行，亟待解决大坝下游河道右岸涌水点涌水涌砂的问题。
经具体研究分析：泸定水电站已蓄水，坝顶高程1385m，正常蓄水高程1375m左右，按正常情况，覆盖层补强应在坝顶实施。但是，事实上不能这样做。原因有两个，其一是坝体防渗体结构中包含廊道，造成坝体防渗和坝基防渗之间的分离，其二是覆盖层最深处在1156m左右，从坝顶实施时须覆盖层钻灌230m左右，以目前的技术能力不能满足要求。所以，在灌浆廊道内实施补灌是唯一可行的方案，但灌浆廊道底板高程为1311m，承受的水头为60-70m，因此防止涌水涌砂成为大坝安全运行的关键。
常规的风动潜孔式跟管钻进而后安设套阀管的方法完全不具备实施条件。因为廊道4m厚的盖板下部即为覆盖层，风动钻孔一旦打穿盖板，钻孔所用的风就会和孔内的被水饱和的地层相遇，不可避免地出现大量涌水涌砂而威胁大坝安全。此外，146mm跟管~ 89mm套阀管组合所用的设备尺寸较大，廊道内空间狭小，无法实施。因此，为满足泸定电站后期的蓄水安全鉴定及工程验收条件，并结合现场存在高水头、动水条件、深厚覆盖层的施工条件，十分有必要开展高承压水头下坝基深覆盖层钻孔技术研究，为涌水治理工作提供有力的技术保障。
2研究内容及目标
针对高水头动水条件下深厚覆盖层钻孔过程中出现涌水、涌砂、塌孔、施工操作难度大、钻孔工效低等一系列问题展开研究，通过本研究能够有效解决高水头动水条件下深厚覆盖层钻孔技术难题，总结出一套适合于高水头动水条件下深厚覆盖层钻孔的施工工艺，为以后类似工程施工提供借鉴。
研究内容主要包括：封闭涌水涌砂的孔口封闭装置研究、用于覆盖层中涌水涌砂条件下钻孔的加重泥浆研究，并结合泸定水电站坝基补强帷幕灌浆工程现场实际情况，开展的现场工艺试验。
3 研究内容及成果
3.1研究内容
3.1.1封闭涌水涌砂的孔口封闭装置研究
（1）常规孔口封闭装置
常规孔口封闭装置主要用于孔口封闭法灌浆，该封闭器自身相对成熟，该封闭装置在前期用于钻孔过程中主要存在以下问题：
（1）在钻杆钻动过程中，对胶球作用力传递不均，造成封闭器封闭性差，在有涌水的情况下容易往外泄露，造成施工操作不便；
（2）采用橡胶为原料的封闭胶球很容易磨损，需经常更换，一端磨损同样很容易造成封闭器泄露；
（3）此封闭装置只有钻杆封闭装置，在钻孔过程中能起到一定效果，但在起下钻时必须取下顶端的压盖，并取出其中的封闭胶球，这就会造成涌水、涌砂情况发生，同时涌水涌砂情况不能及时控制，存在较大的安全风险，对二次下钻或者下设射浆管影响较大，前期在遇较大涌水涌砂时，多次迫不得已采用改用“孔口封闭、纯压式”灌浆方法，对灌浆效果有一定影响。
常规孔口封闭装置模型见图3.1.1-1：
总结前期使用的孔口封闭装置存在较多弊端，在钻孔过程中不能有效控制涌水、涌砂情况，同时传统的孔口封闭装置在配合钻杆钻动情况下仍存在一些问题，我们带着这些问题结合泸定项目的施工特性需进一步研究、制作适宜的孔口封闭装置。
（2）封闭涌水涌砂的孔口封闭装置研究的理论依据
根据钻孔及起下钻过程分析，其中起钻包括起钻杆状态、起钻具状态、钻杆钻具起完状态，下钻情况反之，如何在三种状态下封闭器都处于封闭状态，首先我们设想有一个封闭钻杆的装置、一个封闭钻具的装置、一个封闭器自身的封闭装置，如何将三者整合在一起是接下来需要研究设计的；另外孔口封闭装置是利用橡胶球的弹性和韧性在压盖压力作用下膨胀抱紧钻杆，封闭孔内浆液（本项目采用的加重泥浆钻孔）形成孔内循环，并在钻机动力作用下使钻杆在孔口封闭器中心灵活转动和升降、且不漏浆。
（3）封闭涌水涌砂的孔口封闭装置研究的主要过程
1）设计阶段
起下钻过程中钻杆、钻具通过孔口封闭器时达到封闭状态，但钻杆、钻具直径大小存在差异，这就要求封闭器采用两级封闭措施，同时在起钻完成后能迅速达到封闭状态，这又需要设计另一级封闭措施。通过这一思路设计出的孔口封闭装置主要由三部分构成：钻杆密封装置、钻具密封装置、球阀。
封闭器内起到密封性能主要是通过密封胶球实现，在下钻过程中，首先是钻具通过钻具密封装置，待钻具进入钻具密封装置后，钻具与钻具密封装置里胶球紧密结合达到封闭效果，这时打开球阀，继续下钻具，然后加上钻杆封闭装置，开始下钻杆，钻杆与钻杆密封装置内的胶球紧密结合达到封闭效果，打钻过程中同样能起到封闭效果同时不影响钻孔过程中钻杆转动；在起钻时当钻具起至球阀以上时需关闭球阀，待起钻完成后同样达到封闭效果。
此次研究的孔口封闭装置主要是用于钻孔，必须要解决钻孔能在孔口封闭装置中旋转的问题，同时不能影响其封闭效果，设计采用圆盖式盖头，它对胶球的作用力均匀，达到较好的封闭效果。
此外，胶球的材料选择尤为重要，传统的封闭器胶球采用普通橡胶加工制作，耐磨性差，考虑钻孔过程中对胶球磨损肯定较为严重，一般材质的胶球难以满足要求，经过市场的大量考察，最终确定采用以金属模式制成的改性聚氨酯，其耐磨度是普通橡胶的5～8倍，同时在钻孔过程中可在钻杆与封闭装置盖头的间隙导入适量的冷却油，或者加一小股清水对准钻杆与封闭装置盖头的间隙进行冷却，防止温度升高，造成胶球磨损，进而影响封闭效果。
2）制作加工阶段
根据设计模型制作加工而成，制作的尺寸可根据灌浆孔开孔孔径大小确定，为了固定胶球的位置采用铁片将其焊接，孔口封闭装置总体设计紧促，但受各个部件尺寸的大小影响，加工完成的孔口封闭装置高度已经超过80cm。
3）试验阶段
现场选择一个具有涌水孔进行试验，经测得该孔涌水压力为0.48MPa，基本接近泸定电站高水头下的最大涌水压力0.5MPa，经过现场试验得出该孔口封闭装置基本满足孔口封闭钻孔的相关要求，有效的控制了钻孔过程中的涌水、涌砂情况，但存在以下问题：
①本工程采用XY-2B型地质钻机施工，由于孔口封闭装置高度已超过80cm，在起下钻时钻机操作存在不方便；
②由于胶球的位置均采用铁片将其焊接固定，每次起下钻都需要将钻杆封闭装置整体拆装、操作较为复杂；
③由于封闭装置底部采用的球阀进行涌水、涌砂封闭，但在有砂颗粒的存在的情况下球阀容易被卡住，造成不能完全的情况。
4）优化阶段
根据试验情况对封闭装置进行进一步优化，首先取消了钻杆封闭装置内胶球的固定，这样就不需要反复拆装钻杆封闭装置，只用将胶球进行安装、取出即可实现起下钻，便于操作；另外对球阀在涌水涌砂条件下不能完全关闭情况，考虑改用板阀替代，这样整体封闭器的高度也会有所下降。后期试验证明上述优化都是合理的，效果良好，简化了操作。孔口封闭装置模型图见图3.1.1-1：
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3.1.2加重泥浆研究
加重泥浆是以膨润土和重晶石粉为主要原料制成的一种特殊的泥浆材料。在研制过程中既要兼顾加重泥浆的比重和悬浮能力，只有达到适宜的比重才能抵御涌水水头压力，达到一定的悬浮能力才能使加重泥浆呈均质状态，避免重晶石粉沉淀至孔底导致埋钻孔故，此外，还要求加重泥浆能达到一定粘度，以满足在覆盖层中的护壁效果，加重泥浆比重可根据承压水头压力计算而得，施工现场加重泥浆拌制及使用情况见下图：
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3.1.3加重泥浆结合孔口封闭装置研究
首先，钻孔之后，在钻孔处安装钻孔封闭装置，先将底座（带板阀）和孔口管连接，板阀在钻杆、钻具起完后达到封闭作用，在底座（带板阀）上安装钻具封闭装置，通过里面的胶球达到封闭钻具的作用，在钻具封闭装置上安装钻杆封闭装置，通过里面的胶球达到封闭钻杆的作用；
其次，在钻孔达到加重泥浆发挥作用的孔深时，采用3S灌浆泵通过钻杆泵送加重泥浆至孔底，加重泥浆将充填满整个已完成钻孔孔段，并通过孔口封闭装置的出浆口流出，达到加重泥浆的封闭循环使用的目的，循环流量达到40～60L/min，加重泥浆配制过程中既要兼顾加重泥浆的比重和悬浮能力，此外，还要求加重泥浆能达到一定粘度，加重泥浆比重可根据承压水头压力计算而得。在使用过程中随时对回浆进行观察，回浆大小变化，回浆浓度变化，以便及时对加重泥浆进行调整；
在遇加重泥浆回浆变小或变稀的情况时，无需起下钻，将加重泥浆换为低强度快凝型护壁浆液，采用3SNS灌浆泵将低强度快凝型护壁浆液泵送至孔内，此时继续保持钻杆、钻具转动状态；
当低强度快凝型浆液回浆管处回浆量和回浆状态已经基本稳定，说明漏水部位封堵已经起到较好效果，此时再补充循环5-10min即可切换回加重泥浆，继续向下钻进；
采用加重泥浆循环钻孔至钻孔完成后，无需起下钻，将加重泥浆换为套壳料，采用3SNS灌浆泵将套壳料泵送至孔内；
最后，起钻，起钻过程中注意往孔内补充钻杆体积量的套壳料，起钻完成后下设套阀管即可。
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3.1.4加重泥浆循环工艺
在施工过程中对加重泥浆进行回收重复利用，利用振动筛将浆液内的砂子滤出后循环使用，比重降低较多时，进行二次加工处理。加重泥浆循环工艺相关过程照片见下图：
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3.2研究成果
采用孔口封闭法结合加重泥浆护壁钻孔工艺，有效的控制施工过程中的涌水、涌砂情况，不仅减小了涌水、涌砂对施工的影响，而且能够防止地层中砂砾料的大量流失，对大坝灌浆廊道的结构安全起到了一定的保护作用，同时解决了覆盖层钻孔易塌孔，工效低的问题，解决了泸定水电站坝基补强帷幕灌浆的先决难题，是泸定电站高承压水头下覆盖层帷幕补强灌浆有力的技术储备。该钻孔工艺的成功运用为类似工程在涌水、涌砂情况下钻孔施工提供一种可靠、有效的工艺措施。
4主要结论
通过在工程中的实际应用，采用孔口封闭法结合加重泥浆护壁钻孔工艺，有效解决了0.5MPa水头压力下152m深覆盖层的钻孔工艺问题，有效防止了钻孔过程中涌水、涌砂的出现，解决了覆盖层钻孔易塌孔、工效低的问题，平均钻孔工效达到3～5m/d。
参考文献：
[1]张海刚，某水电站深厚覆盖层帷幕灌浆钻孔施工工艺探讨，建筑·规划·设计，2007 年第5 期，136页；
[2]高伟，水电站深厚覆盖层帷幕灌浆施工技术问题及处理措施研究，○电力与能源○科技信息，2010 年第1期，668页。
作者简介：
[1]徐文峰，1990年11月出生，男，中国水电基础局有限公司三公司工程部主办，工程师，本科，主要从事灌浆技术研究与管理工作。
[2]李晓军，1977年10月出生，男，四川华电泸定水电有限公司工程验收组主任，工程师，研究生，从事施工技术研究与管理工作。
[3]伍元杰，1990年7月出生，男，中国水电基础局有限公司三公司合同部主办，助理工程师，大专，主要从事灌浆技术研究与商务合同。