白鹤滩电站地下厂房防渗帷幕灌浆孔斜控制

陈鹏飞甘全坤陈军

中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司611130

摘要：为保证白鹤滩左岸地下厂房防渗帷幕的整体有效连续，帷幕灌浆孔斜控制是重点也是难点。本文结合白鹤滩厂区帷幕灌浆实践，通过分析调查，从地质构造、施工技术、操作方法、人员培训等方面入手，有针对性地提出孔斜的预防和处理措施，最终确保了深孔及倾斜帷幕灌浆钻孔施工孔斜质量控制。

关键词：白鹤滩水电站倾斜深孔帷幕孔斜控制

1.工程概述

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45km，上游距乌东德坝址约182km，下游距溪洛渡水电站约195km，控制流域面积43.03万km2；白鹤滩水电站的开发任务为发电为主，兼顾防洪，是“西电东送”的骨干电源点之一。白鹤滩水电站水库总库容206.27亿m3，调节库容可达104.36亿m3，防洪库容75.00亿m3。电站正常蓄水位825.00m，厂房左右岸对称布置在山体内，各安装8台单机容量为1000MW的水轮机发电机组，总装机容量1600万KW，为国内第二、世界第二大型水电站。

根据向上高于库水位，向下低于压力管道下平段的布置原则，防渗帷幕从825m高程向下延伸至550m高程，总深度约为275m，共布置5层灌浆廊道，2排帷幕灌浆孔，排距1.5m，孔距2m。通过灌浆廊道布置帷幕灌浆孔进行帷幕灌浆，形成上游库水防渗体系，将厂区与库区隔离。每层灌浆廊道长906.69m。为保证地下厂房安全，深孔帷幕灌浆质量至关重要。由于多种原因，钻孔实测方向与设计方向总是产生偏差。如果偏斜严重，会影响连续帷幕的形成，使灌浆质量不能达到要求。本文根据白鹤滩水电站深孔帷幕施工实际经验，讨论深孔帷幕灌浆孔斜成因并提出了预防和处理措施，值得其他类似工程参考借鉴。

2.孔斜控制要求

白鹤滩水电站左岸灌浆廊道孔斜控制要求：对于孔深小于100m的帷幕灌浆孔，当孔向为垂直或顶角小于5°时，孔底偏差不得大于表2-1的规定，当孔向为顶角大于5°时的斜孔时，孔底最大允许偏差值可根据实际情况按下表的规定适当放宽，但方位角的偏差值不应大于5°。孔深大于100m时，孔底最大允许偏差根据实际情况确定。钻进过程中，应重点控制孔深20m以内的偏差。

表1帷幕孔孔底偏差值

3.帷幕灌浆孔斜控制的重要性

帷幕灌浆工程处理地基的原理是通过用一定的压力将水泥浆液压入地层薄弱处（裂隙、溶洞、断层等），形成一道防渗幕体。如果灌浆孔垂直向发生偏斜，未在设计的位置范围内，会导致原来的设计压力无法将浆液压至原定位置，导致幕体无法连续形成，甚至形成渗流通道，这样会严重影响帷幕灌浆质量。所以保证帷幕灌浆的诸多因素中，孔斜是一个非常重要的因素，相邻灌浆孔一旦出现孔斜超标或相反方向的孔斜，幕体连续性将受到严重的影响，很有可能局部产生“天窗”形成断幕，从而影响整体防渗效果

4.钻孔孔斜的成因分析

针对白鹤滩帷幕灌浆孔斜控制难度大，影响孔斜偏差产生的影响因素较多，通过现场研究分析可归纳为地质条件复杂，钻进技术不合理，操作方法不当，技术措施及管理控制不到位，施工条件5个方面。

4.1地质条件原因

白鹤滩水电站帷幕灌浆廊道所处位置地质条件复杂，其中包括有断层、裂隙、层间错动带等地质构造，防渗沿线为单斜地层，岩性有隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩和凝灰岩等，部分为柱状节理玄武岩及凝灰岩。

岩体以微、弱透水岩体为主，少量为弱透水下段（1≤q＜3）透水岩体，局部为弱透水上段（3≤q＜10）透水岩体，地质构造发育部位岩体的透水性增大。相对隔水层顶板埋深120～180m，谷肩以下顶板较陡，水平向埋深150～230m。贯穿厂区的层间、层内错动带较发育，成为地下水渗透通道，灌浆廊道洞室开挖过程中局部可能存在涌水问题。

在施工过程中，钻进有一定倾角的、软硬夹层的玄武岩石，由于钻头在同一接触面上有软硬不同的岩层，产生不同的钻进速度，从而改变了钻头的钻进方向。同时，左岸发育与帷幕线斜交的断层，易容易造成钻机沿顺层方向改变钻进。对于钻进破碎较严重的岩层，钻具在钻进方向上不容易被控制，这是因为破碎岩层往往是软硬岩层共存，钻头容易改变方向。此外在层间错动带，裂隙发育，大断裂带，钻进过程中由于地质岩层硬度不一，钻孔过程中钻进方向易发生改变，对孔斜有一定影响。

4.2钻进技术不合理

①钻头胎体硬度、粒度系数与白鹤滩玄武岩为主的地质条件不匹配，影响钻进方向：在前期施工过程中深孔钻头磨损严重，且进尺慢，对造孔质量有一定影响；②钻进参数控制不当：钻机操作人员在进行深孔钻进时未进行减压钻进，且在一些岩层破碎带，未及时低压低速钻进，致使孔斜未得到有效保证；③浅孔段，未采用长、直岩芯管：钻机操作人员在进行浅孔段钻进时使用弯曲的钻具或过短的岩心管，都会使钻具连接后不正，从而影响钻进的方向。使用过短的岩心管，在孔内歪斜时，岩心管的歪斜度更大，产生的孔斜度也更为严重。

4.3操作方法不当

①钻机运行稳定性不足，钻机立轴摆动较大。对现场钻孔施工进行调查，发现部分钻机固定不牢靠，使用磨损较严重的立轴钻杆定向套管，立轴产生较大的摆动，直接影响到钻头在孔底钻进时的不稳定性；②钻进时盲目加压，使钻杆弯曲在孔壁多处点接触，产生多段的严重弯曲，钻速过快、增加钻头摆动，产生偏斜；③使用未出刃及磨损过度的金刚石钻头钻进，会因金刚石钻头打滑，容易改变钻头的钻进方向；④在裂隙发育的岩层中钻进，水量过大，压力过高，会较严重地破坏孔壁，造成局部的孔径扩大。由于钻杆弯曲、钻具偏斜引起钻孔偏斜。

4.4技术措施及管理控制不到位

①对于特殊地质条件结构岩层的钻孔施工缺乏相应技术措施，或过往措施没有进行对特殊部位做相应的应对措施；②钻机操作人员质量意识、操作技能较低，人员变动较大。钻帷幕深孔需要丰富的操作技术和经验的钻孔操作人员，而现场施工中还存在操作人员变动较大的情况，由于对孔内地层情况了解不足，操作不当，导致钻孔孔斜偏差过大；③施工过程监督管理力度不足。

4.5施工条件分析

白鹤滩电站地下厂房帷幕灌浆大部分集中于4*4.5m的城门型廊道中，施工环境局限性较大，长钻具、长钻杆使用不上，若加上钻机平台不稳固，钻进时钻机晃动情况严重，对钻孔孔斜有很大的影响。

白鹤滩电站地下厂房第二、六层灌浆廊道的帷幕孔为铅垂孔，其余第一、三、四层灌浆廊道的帷幕孔为向上游方向倾斜的斜孔，因此对倾角和方位角的防控难度较大。稍有不慎防渗帷幕线就不能连接形成，如图1所示。

图1深孔帷幕灌浆与搭接帷幕关系图

5.白鹤滩水电站地下厂房深孔帷幕钻孔孔斜调查

通过对前期帷幕灌浆试验白鹤滩水电站地下厂房第四层、第六层灌浆廊道钻孔孔斜检测结果的统计，发现虽然帷幕钻孔孔斜指标最终达到了设计要求，但第四层、第六层帷幕钻孔孔斜一次报检合格率分别仅为74%、82%，孔斜纠偏，重复施工情况较多，甚至有15个孔需重新钻孔施工的现象。白鹤滩水电站地下厂房帷幕灌浆孔斜调查表如下。

表2帷幕灌浆孔斜调查表

通过帷幕灌浆孔斜调查表分析可以看出第四层孔深0~20m的帷幕灌浆孔孔斜不合格率占第四层孔斜总不合格率的46.1%，第六层孔深0~20m的帷幕灌浆孔孔斜不合格率占第六层孔斜总不合格率的50.0%。第四层灌浆廊道斜孔合格率低于第六层灌浆廊道，说明白鹤滩水电站地下厂房帷幕灌浆前20m孔斜控制相当重要且斜孔的控制难度大。

6.帷幕灌浆孔斜的预防和处理措施

6.1孔斜预防措施

（1）帷幕灌浆施工前，应收集地质勘探资料，了解该区域岩性，有针对性对工程部位的地质情况，采取不同的钻孔技术措施。如钻机类型、钻具形式、钻工安排等做到特殊地段采用特殊的技术措施，并对特殊地段可以加大检测频次，做到早发现早纠正。

（2）选用适宜机具，左岸厂房防渗帷幕孔深最深孔达124m，根据以往类似工程施工经验及现场施工环境条件限制，钻孔设备选用XY-2B和XY-2PC两种类型钻机。

（3）钻机投入施工前必须先对卡盘维护检修，并校正立轴，确保设备优良的技术状态；钻杆施工前必须先进行筛选和校直，弯曲或丝扣磨损钻杆不得使用。

（4）选用导向性能良好的金刚石钻头、长钻具、长扩孔器，每次起下钻前均要求仔细检查钻具的磨损情况，如发现有弯曲的钻具、岩心管、应及时更换。

（5）制定相应的钻机日常运行情况检查机制和保养机制，做到奖罚分明。

（6）钻孔前的准备工作：①技术质量交底：根据钻孔施工控制技术参数，质量控制重点、难点进行技术质量交底，保证一线工人熟练掌握钻孔参数及控制重点；②孔位放样：首先由专职测量人员进行单元控制桩号放样（根据现场需要进行加密放样），若是斜孔必须放样方位角控制线，再由现场技术质检利用钢卷尺、皮尺等测量工具进行孔位精确放样；③钻机安装：钻机的安装要牢固平稳，地面应预先找平，垫平时严禁钻机机台木与地面呈点接触，然后采用地质罗盘和水平尺校正立轴与钻孔开孔倾角和方位角应在同一条中心线上，最后采用地锚及水平钢管联合将钻机支撑固定。钻机校正后，高速空钻500r/min，查看钻机是否平稳，有偏移现象，及时纠正；④加强培训力度，对钻机操作人员进行筛选，挑选操作技术较好的钻工。对复杂地层深孔帷幕钻孔的操作人员要定期固定的培训；⑤每台钻机设立钻孔记录小本，将钻进实施过程情况记录在上。

（7）严格执行“三检制”验收制度：①钻孔施工过程控制必须严格执行“三检制”验收制度，严格执行“五不许”开钻要求；②准钻准灌证为签证，不许开钻；③钻孔角度（倾角、方位角）未经质检校核，不许开钻；④钻机未整平，不许开钻；⑤钻机未打地锚固定，不许开钻；⑥钻工未经过技术、质量培训，不许开钻。

（8）孔口段钻孔及镶铸孔口管控制：①孔口段钻孔和孔口管镶铸质量将直接影响到整个孔的孔斜，因此孔口段埋管质量控制至关重要；②开孔前终检必须严格对孔位、孔向、倾角参数及钻机固定情况进行验收，验收合格后方可开孔；③适当延长孔口预埋管，在0~20m内采用长直岩芯管钻进；④第一段钻孔完成后，质检必须严格对孔斜、孔深进行验收，合格后方可进行灌浆施工；⑤孔口管镶铸时必须使用对中环保证上下同轴，用地质罗盘、水平尺、三角尺等测量工具反复进行校核孔口管倾角、孔向，并做好固定后方可注浆。

（9）钻孔孔斜控制：①严格控制孔深0m～20m的孔斜控制，加强钻孔孔斜检测，若孔斜超标立即进行纠偏。钻孔过程做到勤测斜，严验收，严控制；②钻进时，尽量使用长的钻具，第二段变径时，采取增加导向管的措施来保证钻孔孔向及倾角满足要求；③在钻进过程中，要正确地控制钻进压力、转速、冲洗液排量的关系，特别是孔口段采用低压、低速进行钻孔施工。在钻孔较深或钻具超过一定重量时，还需考虑减压或负压钻进措施；④钻进第四层斜孔帷幕时，钻杆钻具由于自重作用，顶角必然会逐步减小、回到铅垂线方向，应结合设计倾角、地层走向、钻机性能等提前在孔口段比设计顶角大0.5°左右方向钻进。在钻进中，立轴钻杆不能太高、液压卡盘不宜满标尺举高，否则钻进时摆动性大，致使立轴转动不稳，造成钻具摆动性增大；⑤结合勘探地质资料和先导孔的施工情况改进钻头参数。针对不同地层使用适应于该地层的钻头，通过和钻头生产厂家共同研究，在施工现场了解不同地层钻孔情况，收集现场各机组意见和钻头损坏情况，及时对钻头参数进行调整；⑥钻孔过程中，随时注意孔口返水情况。钻进中，遇到裂隙发育、软硬夹层以及断层时，低压低速钻进，对钻进速度、水的流量及压力控制适当。遇到塌孔严重，岩层较破碎时，可先缩短段长进行灌注，保证孔壁稳固，确保钻孔质量；⑦加强现场钻孔操作人员的技能培训和沟通，遇到特殊情况及时反馈，以便及时采取相对应的造孔和灌浆措施；⑧加大现场管控力度，前20m每段必须测斜、20m以后至终孔段每两段测斜一次，过程中发现孔斜偏距不满足设计要求及时采取措施进行纠偏，从而保证终孔偏距不超过设计要求。

6.2孔斜纠偏处理措施

①短钻具纠偏：具在较大孔径内较易改变方向。钻孔产生偏斜后，用长度短于1.5m的粗径钻具从偏斜处进行矫正。主要通过用轻压力慢转速的操作方法钻进3~5m后进行钻孔测斜。如果孔斜度已减少，则可使用正常钻具钻进；如果没有矫正过来，则可用长钻具纠偏。②长钻具纠偏：长钻具纠偏主要是在短钻具矫偏无效，或还有不多的距离就抵达终孔的情况下应用。一般情况下，加长后的钻具不小于原钻具的2倍。加长钻具后，无疑会增大孔壁对整个钻具按原方向继续钻进的控制力，使原有的孔斜度不再继续扩大。③封孔扫孔法：扫孔法是发现偏斜值超过允许值较多时，先不进行纠偏处理，按正常程序继续进行灌浆，当灌浆结束后时，用比例为0.5∶1的浓浆（可加适量的速凝剂）置换出孔内稀浆，并待凝24h~48h再扫孔，扫孔时注意控制钻压并随时检测孔斜，可使已偏斜的钻孔段得到有效的纠正。④补孔法：补孔法分灌浆阶段补孔和检查阶段补孔有两种情况：在灌浆施工中，当发现钻孔偏斜严重时，为防止严重的孔斜对灌浆质量产生影响，可在该孔附近补钻新的灌浆孔。灌浆施工结束布置检查孔位置时，可结合灌浆施工资料的综合分析，在因孔斜超标可能漏灌的地方布置检查孔，使其得到补强。

7.孔斜控制效果

通过白鹤滩水电站地下厂房帷幕灌浆钻孔进行一系列的研究改进和控制，后期对帷幕灌浆孔的测斜检测统计看，第四层共检查186个倾斜帷幕孔，一次性报检合格的有179孔，一次报检合格率达到了96.2%，第六层共检查123个铅垂帷幕孔，一次性报检合格的有120孔，一次报检合格率达到了97.6%，对比之前白鹤滩水电站帷幕灌浆试验，一次报检合格率有了大幅度的提高，没有重新钻孔的现象发生。

表3帷幕灌浆孔斜调查表

8.结语

白鹤滩水电站深孔帷幕灌浆钻孔施工经过现场不断摸索、总结与研究，最终克服了地层复杂、倾斜深孔造孔等的一系列问题，确保了钻孔孔斜质量，最终确保了灌浆质量。

实践证明确定钻孔工艺参数应注意与地质条件、机具设备、人员技术水平相适应。应重视帷幕灌浆试验与施工相结合的特点，经常学习研究、总结经验提高、吸取教训改进、调整完善找到经济、合理、满足质量要求的施工工艺。本文结合白鹤滩帷幕灌浆实践，分析孔斜成因并有针对性地提出孔斜的预防和处理措施，在白鹤滩水电站地下厂房防渗深孔帷幕施工中得到了很好的应用，做到了成本、效率、质量各方面的平衡统一，对于类似工程也有很好的借鉴和参考价值。