中国水利水电建设工程咨询西北有限公司黄登水电站 云南兰坪 671406
摘要：黄登水电站帷幕灌浆设计对防渗性能有着十分严格的要求，其中最大单孔孔深也超过了144m，孔斜率在深孔帷幕灌浆施工中有着十分重要的意义，施工过程中如果发现灌浆孔底偏距不符合设计要求，施工质量将难以得到保证，同时施工工艺的完整性、连续性也将受到影响，防渗效果不佳，最终影响水电站的使用。基于此，本文首先分析了钻孔偏斜的原因，并提出了有关解决方案。
关键词：深孔帷幕灌浆；孔斜成因；控制技术
1、概述
1.1工程概况
黄登水电站地处云南省境内，它是一所建设在澜沧江的五级水电站，其上游下游均建设大型水电站。工程总投资及142亿元，以发电为主，黄登水电站位于营盘镇上游，无论是交通还是地理位置都非常便利，在此修建大型水电站有着十分重要的意义。
坝址控制流域面积9.19×104km2，多年平均流量901m3/s。水库正常蓄水位1619m，相应库容15.49亿m3；校核洪水位1622.73m，总库容16.70亿m3；电站装机容量1900MW，保证出力507.95MW，年发电量86.29亿kW?h。大坝属于混凝土重力坝，这种堤坝类型在我们国家乃至在世界上都非常普遍，它通过混凝土自重维持其稳定性，据不完全统计在我国20座100m高的坝中大约有10座都是使用的混凝土自重坝。黄登水电站作为云南省大型水利水电项目，它的建设不但关系着当地居民用电，更关系着经济的发展，黄登水电站的最大坝高为203m。除此之外，因为工程规模巨大，地质条件比较复杂，所以施工过程中很可能受到地质灾害带来的影响，而如果不按规范施工则会出现次生地质灾害。
1.2地层岩性
左岸坝段位于8号冲沟及6号山梁部位，地形比较陡峭，通常情况下坡度在50°～65°之间。基岩裸露，峭壁横生。岩层围绕横河分布，倾斜角度在70°～85°，可以说区域地质构造背景非常复杂，该地区历史上从未出过强地震灾害，而且岩层无断裂，因此我们可以说稳定性较好，工程区域河谷狭窄，两岸地形呈现一种对称分布的现象。江面水宽在40至70m之间，水位落差大，水流相对湍急，具备建设水电站的基本条件。不同高度的岩层性质也有所不同，比如高程在1620m以下的岩层以火山细砾为主，高程在1740m以下呈现出细砾岩和变质凝灰互相叠加的状态，而高程在1740m以上则为变质凝灰岩为主。厚度较大变质凝灰岩夹层主要有t6、t7、tp4、tp5、tp6，其中tp5、tp6呈透镜状。建基面岩体中节理通常呈现出闭合的状态，当然也有很少的部分略微张开。一般情况下岩层延伸长度很长，中缓倾角节理零星分布。风化为岩体风化的主要形式，影响岩层厚度的因素有很多，比如地形、岩性等。由于地下水位较深，因此该地区地质灾害主要以次生灾害为主。
2、帷幕灌浆设计
2.1帷幕灌浆的布置
帷幕灌浆施工是保证大坝设计防渗的要求，黄登碾压混凝土重力坝坝高大于70m的坝段即4#～19#坝段上游设双排帷幕，其余坝段上游设单排帷幕。应确保上游主帷幕孔之间的距离为2m，副帷幕孔的距离稍小，大约在1m左右，而帷幕孔最大的深度能够达到135m，针对这种情况施工中采用的是梅花形布置的方式，以确保帷幕孔能够发挥应有的作用。下游在建基面高程低于1520m（左岸）/1506m（右岸）的坝段（6#～16#坝段）坝趾附近设置单排封闭帷幕，孔距2m。下游封闭帷幕通过6#（坝纵0+137.750）及16#（坝纵0+373.897）横向廊道与主帷幕连接封闭。
左岸设置了3条灌浆洞，而右岸设置了2条灌浆洞。两者的灌浆深度也有所不同，其中左岸灌浆孔深度为110m，右岸有90m。灌浆洞内衔接帷幕设置两排，孔深均为15m。
水电站施工建设的时候对帷幕灌浆的质量要求很高，具体操作的时候应该根据不同的部位、不同的水头采用不同合格标准，据调查显示位置不同对透水率的要求也略有差别。其中1#～3#坝段、20#坝段上游帷幕及左右岸EL.1625m灌浆洞的透水率合格标准采用q≤3Lu，接触段及下一段100%合格，以下各段的质量必须符合要求，不合格部位透水率的值应低于4.5Lu，并呈现出评价分布的状态；其余各段灌浆透水率的合格标准应该采用其q≤1Lu，其他的要求全段相似，但是需要特别注意的是除上述几段外，其余不合格透水率应该控制在1.5Lu以下。
2.2 工艺流程
主帷幕灌浆孔的施工工艺流程如下：
抬动观测孔→主排孔（先导孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔）→上游副排孔（Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔）→质量检查孔
衔接帷幕灌浆孔的施工工艺流程如下：
抬动观测孔→XJ1排孔（Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔）→XJ2排孔（Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔）→质量检查
封闭帷幕灌浆孔的施工工艺流程如下：
抬动观测孔→灌浆（Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔）→质量检查
2.3孔斜控制一般要求
黄登大坝帷幕灌浆质量要求高，其中孔斜率应严格控制在1%以下，而且孔底最大偏距应小于2.5m，这对于孔深140m的大坝来说并非易事。作为施工单位而言，为了保证施工质量满足设计要求，钻孔前应该确定钻机的方位和倾角，做到边钻孔边测量。每一段的斜率都应该单独测量，从而保证整个坝体倾斜率在合理的范围内。钻孔前20m应该每隔5m测量一次，此后的距离每隔10m～15m进行一次孔斜测量。孔斜必须符合孔底允许偏差，具体偏差如下表所示。
3、孔斜成因分析
水电站施工过程导致钻孔事故以及防渗效果不理想的因素有很多，对这些因素归纳总结后可以发现，主要包括以下三方面：技术落后、地质条件不良以及操作方式不得当。
3.1 地质条件不良
不同的地质条件包含不同的岩层，而孔内岩石力学性能也有较大的偏差，具体表现为下面几个方面：
（1）钻进过程中出现的偏差必须及时控制，避免倾斜角度过大影响钻孔质量，当钻进遇到不同硬度岩层的时候会导致钻井方向出现偏差。
（2）若钻进位置处于的断层破碎情况比较严重，为了保证钻孔质量，必须使用较大直径的钻头，但是这种大直径钻具钻进方向不容易控制。除此之外，由于断层往往存在不同硬度的岩石，这也加重了改变方向的概率。
（3）偏斜率是个重要的参数，施工过程中应严格控制钻孔的斜率，当遇到流沙层的时候，在水流作用力的影响下，会产生较大的偏斜。
3.2 技术条件不适宜
如果使用不同的技术措施会导致钻孔出现偏差，具体表现为：
（1）开孔钻进的时候，当钻孔和钻机立轴不在同一条中心线的时候，也会加大钻孔斜率；除此之外，需要我们格外注意的是钻杆的质量，如果钻杆磨损严重会使钻进过程中出现较大的摆动，影响钻进的稳定性。我们需要在主帷幕孔位置安空口管，在安装的时候必须确保安装位置合理。
（2）钻进的时候应确保钻孔中心线处于同一位置，使用的岩芯管长度应该满足要求。通过实践证明，使用较长岩芯管产生的倾斜程度要远低于短的岩芯管。
（3）钻孔过程中如果孔径出现了变化，想要确保钻孔中心线始终处于同一位置非常困难，为了改变这一现状，必须做好监督检查工作，一旦出现偏差应该及时调整。
（4）当使用直径较大钻具的时候，钻杆自身产生的弯矩和扭矩也会增加，不利于钻进的稳定性。
3.3 操作方法不当
操作方式不正确是导致钻孔产生斜偏最主要同时也是最直接的原因，具体而言主要表现为下面几点：
（1）施工人员使用钻孔机械的时候无法控制钻孔力，当施加压力过大的时候，钻杆自身会受力变形，甚至出现严重弯曲的现象，尤其是在一些地质条件不好的环境中，会对钻孔质量带来严重的影响；
（2）作为施工人员来说，合理选择钻具钻头至关重要，如果钻头使用的金刚石磨损严重，将影响钻削力，给钻孔工作带来不必要的麻烦，而且容易改变钻进方向；
（3）松软的岩层中进行钻进，由于受到水流的影响，孔壁很容易出现损伤，严重的话还会导致孔内出现塌陷。
4、孔斜对钻孔的不利影响
钻孔如果出现了孔斜，并且情况比较严重，不但会给后续工序带来不必要的麻烦，而且会给整个钻孔工程带来难题。孔斜严重一方面增加孔内事故的概率，另外一方面还给事故处理带来诸多麻烦。
4.1 孔斜会增加孔内埋钻的概率，除此之外在破碎、松软的岩层中进行钻孔，如果出现了孔壁坍塌事故，势必导致钻具埋挤事故，不利于提高经济效益，施工单位为了消除事故带来的影响，需要花费大量的时间、人力和财力。
4.2孔斜与偏斜之间存在密切的联系，如果孔斜会导致钻具质量达不到使用要求，增加事故的几率，最终使钻孔产生非常严重的偏斜。与此同时当钻具在孔内出现回转、打、碰的时候，会降低钻具的作用力，影响钻进速度和钻孔质量，甚至导致钻具折断，增加了施工成本。
4.3 钻具折断势必影响日后事故的处理，因此施工人员常常需要面对一个事故还没有得到处理，另外一个事故又出现的尴尬局面。往往造成“事故落事故”现象。
5、孔斜对灌浆质量的影响
孔斜所造成的灌浆孔孔底偏距的变化使相邻孔的有效扩散半径彼此衔接不起来，难以保证帷幕的连续性、完整性和密实性，从而使灌浆帷幕不能达到规定的防渗标准，灌浆质量受到影响。
浆液在岩石烈隙中的扩散范围受灌浆压力、浆液性质、裂隙发育特征及施工工艺等因素的影响。同一性质的浆液在不同压力、不同地质条件下，扩散充填的范围差异性很大。灌浆孔距的确定，一般是在现场作灌浆试验后确定。它的特点是，使相邻灌浆孔浆液的充填范围能彼此衔接，而且到最后既不会遗留下能导致透水性超过标准的大裂隙，又不使搭接重叠的部分太少，以能形成一个具有一定防渗标准的“连续帷幕”，又使钻孔量最少，偏斜后势必影响钻孔质量。
6、孔斜的预防与处理措施
控制钻孔钻进方向，使之不发生严重偏斜是一项很复杂的技术工作。采取何种技术措施防止钻孔偏斜或钻孔产生严重偏斜后如何处理，都必须将影响钻孔偏斜的3方面因素结合起来全面加以考虑。
6.1 预防孔斜的措施
（1）钻机的安装要水平牢固，立轴中心与钻孔中心应在同一条垂直线上，并按要求的孔向对准孔位开孔，以使钻进中不晃动；
（2）孔口管必须牢固并满足要求，在开孔钻进与浅孔阶段钻进中，立轴钻杆不能太长，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；
（3）随时检查钻孔机具，如发现有弯曲的钻具或有磨损较严重的立轴钻杆，应及时更换。在浅孔钻进阶段，一般情况下，使用的岩心管长度较大一些为宜；
（4）孔较90.0m以后，开始减压钻进时，特别要注意钻压的调整，同时要注意提升吊环必须与立轴及钻孔中心线在一条直线上；
（5）钻进中，勤检查钻机有无移动，立轴钻进的方向有无变化，发现问题应及时纠正；
6.2 孔斜的处理措施
6.2.1扩孔纠偏法
该方法适用于浅孔阶段（一般不超过10m）钻孔已偏斜严重的情况。采取加长粗径钻具，并使用比原钻具直径至少大一级的钻具，从孔口或从孔口管底部位置扩下去，及时矫正钻孔的方向，防止在继续钻进中该孔偏斜愈加严重。
6.2.2短钻具法
在断层破碎带地层中钻进时，当钻孔产生一定偏斜后，可利用较短的粗径钻具进行矫正。通过用低压慢速的操作方法，钻具会因自重垂向钻进。
6.2.3变径法
变径法主要是用比原正常钻进用的粗径钻具直径小一级或二级且长度短于1.5m的粗径钻具钻进。因为短细的粗径钻具可在较大的孔径内有调整的余地。
在进行矫正前，先把孔内岩心取净。钻进时要轻压慢速控制给进。钻进3～5m后进行测斜。如果孔斜有所下降，应该使用钻具进行重新扩孔，若可以正常使用则继续使用之前的钻具。
6.2.4扫孔
扫孔法指的是当偏斜超过允许值的时候，不采取纠偏措施，而是按照正常程序完成灌浆工作，待工作结束以后使用比例为0.5∶1的浓浆置换孔内稀浆。
7、结束语
灌浆对技术要求比较高，施工中应该由专人组成小组，约70%的现场监理员有2年以上的灌浆施工或监理经验，采用“三班倒”（8小时）制度进行高效率现场监控，施工高峰期应该安排三人为一组进行值班，严格执行三检制度，分别指的是施工机组除检、施工队复检、质量管理部门人员终检，确保了施工质量始终处于受控状态。截止目前黄登水电站河床7#～13#坝段帷幕灌浆已全部完成，共完成灌浆孔总数353孔，钻孔41204.7m，基岩灌浆39911.4m，灌浆工作完成以后所有的参数都应该严格检查，如果数据符合要求则说明黄登大坝基础形成了连续、完整以及密实的帷幕。
论文作者:穆晓东,杨琦,苏兴强
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/15
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