双管取芯工艺在迪克戈洪项目的使用

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摘要：论述了双管单动取芯技术在复杂地层灌浆检查中的应用情况及取得的效果，即从钻具配套、岩芯采取、钻孔冲洗液选取、及硬岩钻进等方面进行了有效的探索和应用，对类似施工具有较强的参考性和指导意义。

主题词：双管取芯、双管单动、取芯检查、钻探

中图分类号：TU74文献标识码： A

1、工程概况

由中国水电集团公司（中水十一局）承担施工的博茨瓦纳迪克戈洪大坝工程位于非洲中下部的博茨瓦纳国家。迪克戈洪大坝是一个多种土质坝，坝长4.76千米，最大坝高47m，位于沙溪河和塔提河交汇处下游大约3km。

大坝的基础处理由位于坝体中间防渗粘土心墙下的固结灌浆和帷幕灌浆组成。帷幕灌浆由单排孔组成，孔距1.5m，钻孔角度为垂直孔，孔深24~30m；固结灌浆由两排孔组成，对称布设在帷幕灌浆孔上下游，排距3.0m，孔距3.0m，垂直孔，孔深6m。

在灌浆施工过后，为了检查灌浆效果，及时开始下道粘土墙的回填工序，工程师要求进行压水试验和取芯检查。但是为了直观看到灌浆效果，也为了对招标时的大坝地质勘探资料进行一些补充，工程师要求了岩石取芯的采取率，其中坚硬岩石上的取芯率不能少于为95%，风化和破碎岩石中的取芯率不少于80%。

2、地质条件

大坝和辅助的泄洪道基础岩石主要为变质岩。这些岩石包含层理或副片麻岩带、片岩、闪岩、铁矿石和其他少量的变质沉积物。含有大量的石英结晶花岗岩脉的片麻岩层构成了大坝的主要基础。

为了减少开挖，经工程师验证承载力后，表层0~10左右岩石为中风化岩石，岩石松软易碎，部分地层夹杂泥层和强风化带。而底部为较坚硬新鲜岩石，且软硬岩层中夹杂大量坚硬的石英岩脉，这些构成了大坝基础的复杂地质情况。

3、孔位布置和施工设备材料

3.1、孔位布置

取芯孔孔位布置在已完成的帷幕灌浆的轴线上，共12孔，其中4孔为60度斜向孔；其余为垂直孔。压水试验30段，钻孔深度均为入岩30米，总钻孔长度为360m。

在设计取芯孔孔位时，工程师充分考虑了岩石地质情况和灌浆情况，有意识地选择部分孔位分布在地质缺陷部位，目的就是使取芯孔尽可能覆盖不同部位和不同岩石地质，取得全面可靠的数据，同时检查灌浆后的基础透水情况。

3.2、施工设备

钻孔取芯和采用XY-2型重庆重探地质钻机，冲洗供水设备采用3SNS型灌浆泵。

为了更好的保证取芯效果，同时对比不同钻具在这样地层的取芯效果，我们选择了4种钻具同时在现场进行施工试验，分别是1、NMLC（76mm直径）尺寸单管取芯钻具； 2、91mm直径单管取芯钻具；3、NMLC尺寸双管绳索取芯钻具；4、NMLC尺寸双管单动取芯钻具。以上钻具底部均为可卸载金刚石钻头。

3.3、钻孔冲洗液

采用聚丙烯酰胺（PHP）无固相冲洗液，与清水相比，其具有较好的携带和悬浮岩屑的能力，且能在井壁上形成薄的吸附膜，具有一定的护壁能力，有较好的和减阻作用。并具有现场配制简单、成本低、钻进时效高等特点。

4、施工技术要求

钻孔取芯时，要求按获得芯样次序统一编号，填牌装箱，绘制钻孔柱状图并进行岩芯描述。钻进应保证最大限度地取得芯样，无论芯样有多长，一旦发现芯样卡钻或被磨损，应立即取出。对于1m或大于1m的钻进循环，若芯样获得率小于80%，则下一次应减少循环深度50%，以后依次减少50%，直至50cm为止。如果芯样的回收率很低，应更换钻孔机具或改进钻进方法，钻孔过程中，应对钻孔冲洗液、钻孔压力、芯样长度及其它能充分反映岩层特性的因素进行检查、观测和记录。

5、钻孔取芯施工

5.1、施工工艺选择

根据施工实践的对比，现将各施工钻具取芯优缺点排列如下：

施工工艺 NMLC单管取芯 90mm单管取芯 NMLC绳索取芯 NMLC双管取芯

优点 坚硬岩石时，采取率满足要求；钻进速度最快；钻具最便宜 坚硬岩石时，采取率满足要求；钻进速度较快 坚硬岩石时，采取率满足要求；深孔钻进速度快 坚硬岩石时，采取率满足要求；较软岩石时，采取率基本满足要求，缺失最少

缺点 较软岩层或破碎岩石时，采取率不足，缺失最多 较软岩层或破碎岩石时，采取率不足，缺失较多 较软岩石时，缺失较少，但采取率仍不能满足要求；钻进速度较慢；钻具最贵 钻进速度最慢；钻具较贵

因为取芯孔深度为30m，而绳索取芯的优点主要为深孔不用提取外管，施工速度快，但现有孔深表现不明显，且软岩层采取率距工程师要求尚有差距，故予以放弃。而单管取芯软岩石时采取率不足，予以放弃。

经仔细对比研究后，最终确定：钻孔时根据地层和深度确定钻具，即浅孔和地层破碎，岩性较软时，采用NMLC双管单动取芯钻具施工，提高采取率；深孔坚硬岩石采用NMLC单管取芯，加快施工进度。

5.2、钻机就位

钻机就位时，为稳定钻机，提高钻进的稳定性和提高钻进转速，可以采取预埋螺杆或安装膨胀螺栓的办法将钻机固定在基础面上。就位时使用吊锤或水准尺对钻机立轴和主动钻杆进行角度校正，安装钻机时同时通过增减钻机底部垫片高度调节钻机至水平状态。

5.3、取芯钻进

钻进前选取的金刚石钻头胎体硬度应与岩层硬度相适应，且尽量减少起钻、下钻次数，延长纯钻进时间，提高功效。开钻前，应对钻机立轴重新较对，开孔时轻压慢钻，随钻孔加深逐步加长钻具。钻头、扩孔器必须排队轮换使用，每次起钻后用游标卡尺检测钻头和扩孔器磨损情况。

钻进过程中密切关注各种情况，如孔内异常应立即起钻，并把孔内残留芯样处理干净，以防芯样与芯样之间发生对磨。卡取岩芯前必须加大冲洗供应量以便将孔内岩粉冲洗出来，保证孔内清洁，避免在下钻取芯时因芯样周围岩粉过多而使卡簧中途受阻，进一步造成芯样断裂。

每钻钻取的芯样长度不应超过钻具长度，应及时卡取芯样（在成功取得满意采取率和长芯样后，可逐渐加长钻具长度）。取芯时钻具应轻提慢拉，减少岩芯管的碰撞，以防芯样在管内震动而断裂或丢失。

4、岩芯整理

对取出的芯样及时进行标识、编录、拍照和养护等工作，选定合适的芯样保存地点，尤其是易风化芯样，要提前制定合理的芯样保存和运输方式，以保证长芯样的完好性，防止散失和混装。

6、问题处理

6.1、坚硬岩石钻头打滑难以进尺

解决办法：1）选用弱包镶防“打滑”金刚石钻头钻进，其基本原理是金刚石钻头胎体磨损比普通钻头快，不容易使钻头胎体抛光打滑，使工作中的金刚石颗粒处于克取状态。该钻头与普通金刚石钻头比时效成倍提高，虽然钻头寿命短（10-15m/ 个），但从整体效益评价是可行的。2）投砂钻进法。将内管打捞后向孔内投入适量坚硬的碎石子，将“打滑”后的孕镶钻头胎体进行磨损，露出金刚石颗粒进行钻进，达到提高时效的目的。采用该方法其钻进参数与正常钻进有所不同，钻头压力提高约 20% ，转数降低 100-200rpm，才能达到比较好的效果，该方法也是较常用的。

6.2、部分孔段坍塌或涌漏

解决办法：1）采用套管施工工艺，将复杂地层隔离，为下部施工创造条件。2）对渗漏较小区段，采用水泥或膨润土浆液灌孔堵漏。3）当遇裂隙较发育、地下水活动历害、灌孔堵漏效果不明显时，也可采用水泥封孔护壁堵漏、改性沥青球堵漏、粘弹性材料堵漏、化学浆液堵漏等方法，也能取得一定的效果。

7、取芯成果

取芯成果一览表

孔号 AC01 AC02 AC03 AC04 AC05 AC06 AC07 AC08 AC09 AC10 AC11 AC12

0~10m采取率 85.5% 87.5% 82.5% 79.3% 89.5% 91.1% 83.7% 78.4% 80.2% 88.2% 82.8% 83.1%

10~20m采取率 92.6% 93.1% 90.2% 91.6% 97.4% 92.2% 89.3% 91.6% 87.2% 92.5% 93.4% 86.4%

20~30m采取率 98.2% 93.7% 98.2% 95.4% 98.2% 99.2% 92.5% 97.2% 95.3% 99.6% 94.7% 98.2%

平均 92.1% 91.4% 90.3% 88.8% 95.0% 94.2% 88.5% 89.1% 87.6% 93.4% 90.3% 89.2%

从上表可以看出，取芯效果基本满足规范及工程师要求。其中AC04在6m~6.8m段发现含沙层，AC08在0.8~1.5m发现一黄土夹层，均无岩芯取出。

在取芯过程中发现岩芯在0~10m处丢失较多，之后随深度增加，岩石采取率逐渐变大，与岩石风化程度和岩石强度有相应关系。

8、结束语

迪克戈洪大坝工程灌后钻孔取芯工作是对之前灌浆施工进行的一次施工质量的初步检验，灌浆效果的防渗性能检验有待于压水试验结果和后期的渗压计水位测量来最终验证。从已进行的压水试验和钻孔取芯所获得的数据表明灌浆施工质量较好，防渗控制效果明显，满足工程质量要求。