金沙江乌东德水电站金坪子滑坡Ⅱ区深厚覆盖层钻探技术实践

李会中, 焦新发, 潘玉珍, 谢实宇, 杨　静, 郝文忠

(1.长江三峡勘测研究院有限公司，湖北 武汉　430074； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉　430010； 3.三峡大学 土木与建设学院,湖北 宜昌　443002； 4.长江科学院,湖北 武汉　430010)

0　引言

乌东德水电站是金沙江下游河段四个水电梯级的最上游梯级，坝址位于云南省昆明市、四川省凉山州交界的金沙江干流上，正常蓄水位975 m、总库容74.08亿m3、最大坝高265 m、总装机容量10 200 MW、多年平均发电量401.1亿kW·h，为一等大(Ⅰ)型工程。

金坪子滑坡位于乌东德梯级河段下游右岸，上距乌东德坝址约900 m，距河门口坝址约7.7 km(如图1)，遥感解译体积约为6.2亿m3，因其扼守于梯级的敏感部位，稳定现状、变形趋势及可能失稳方式及规模将直接关系到乌东德水电站梯级开发的成立及河段内坝址的选择[1]。

前期勘察成果表明：金坪子滑坡不影响乌东德水电站梯级开发，其大致可分为5个区:Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区为第四系堆积体；Ⅰ区为古侵蚀平台上的第四系崩塌堆积体斜坡，稳定性好，乌东德水电站修建和运行不会影响该区稳定；Ⅲ区为深嵌于金沙江古河槽中的古滑坡堆积体，其整体稳定性好，乌东德水电站的施工和运行仅对其前缘局部斜坡有影响；Ⅱ区上距乌东德坝址2.5 km，主要为崩、残坡积体，目前仍处于变形之中，但其失稳规模有限，不影响邻近河段内坝址选择；Ⅳ区为雄厚的基岩斜坡，Ⅴ区为古金沙江基岩离堆山(如照片1)。

尽管如此，因金坪子滑坡Ⅱ区组成杂(崩、残坡积体)、厚度大(一般60～100 m，最大约130 m)、体积巨(约2 700万m3)，且变形仍在发展之中，其对工程影响众说纷纭，故必须查明其基本地质特征，开展深部位移监测与地下水位长观，以准确预判其可能失稳方式、失稳规模，正确评价其工程影响，并采取有效工程措施加以防范，以策工程安全[2]。正鉴于此，金坪子滑坡钻探工作必定是极具挑战性，因而必须精心策划、加强组织、认真落实，在确保钻探取芯质量前提下，配合钻孔倾斜仪、渗压计安装，以开展深部位移监测与地下水位长观。

1　钻探工艺设计

钻探工艺是针对金坪子滑坡Ⅱ区地质特征、基于钻进取芯困难实际情况而制定，主要包括多层套管分层跟进护壁、金刚石与合金钻头结合、植物胶及优质泥浆循环、各类优质高效取芯钻具配套，等等[3]。

1.1　钻孔结构设计

金坪子滑坡Ⅱ区覆盖层厚度较大，钻孔设计深度多为100 m左右，个别孔深达200余米，终孔要求进入较为完整基岩。钻孔结构设计为：首先，采用Φ150 mm钻具开孔钻穿表土层，下入Φ146 mm套管护壁；再采用Φ130 mm钻具钻进至较完整岩层(进入较完整岩层约2 m左右)，随即下入Φ127 mm护壁管；然后用Φ110 mm钻具钻进至孔深中部岩石较硬孔段(进入约3～5 m左右)，随即下入Φ108 mm护壁管；最后，若孔内岩石完整、孔壁稳定，可用Φ91 mm钻具钻至终孔，反之，若孔壁不稳、出现掉块或坍塌现象，则可考虑下入Φ89 mm套管护壁，再用Φ75 mm钻具钻至终孔。

图1　金坪子滑坡地理位置图

照片1　金坪子滑坡全貌

1.2　钻压和转速选择

覆盖层钻进应避免盲目依靠大压力、高转速来追求进尺效率。由于覆盖层结构松散、软硬不均，故钻压不宜过大，孔底压力一般控制在2～8 kN，视孔内岩层软硬变化加以调整，以保持合理的进尺效率为原则；覆盖层钻进转速一般控制在200～500 r/min，基岩钻进可控制在450～800 r/min，可视钻具口径大小及钻孔岩层变化情况加以调整，仍应以保持合理的进尺效率为原则。

1.3　冲洗液配置与泵量选择

冲洗液性能是覆盖层钻进中护壁防坍塌及提高岩芯采取率的一个重要因素。全部选择采用了优质植物胶配制冲洗液，浓度配置为：植物胶为1%～2.5%(即植物胶粉与清水的质量百分比)，加入烧碱为3%～5%(即烧碱与植物胶粉的质量百分比)。每班专人负责配制，并在钻进循环过程中注意随时调整保持浓度不下降，这样既增强冲洗液携粉能力，保持了孔底清洁和保护岩芯作用，又达到和巩固了泥浆护壁作用，减少掉块和塌孔情况，提高了钻进效率。植物胶配制及使用过程如照片2。

由于覆盖层结构松散，物质组成中含硬、脆、碎的岩石，泵量的选择十分重要。泵量小，不能携带岩粉；泵量大，岩芯易被冲刷，降低了岩芯采取率，故选择合理的泵量十分重要。一般选择30～60 L/min，可视岩石软硬、岩层变化、进尺快慢、岩粉多少及回水量变化等综合情况加以调整。

1.4　配套钻具选择

针对金坪子滑坡Ⅱ区覆盖层及基岩特点，先后选择和试用了下面几种钻器具：①双管双动内管超前/水压退芯式钻具(规格为Φ130/110 mm，Φ110/91 mm，Φ91/73 mm；各口径均配套薄壁金刚石钻头和合金钻头)，如照片3。②双管底喷式、侧喷式双管单动钻具(规格为Φ130 mm、Φ110 mm、Φ91 mm，并配套适合块石层、软硬互层等钻进的各类金刚石钻头)。③单管钻具(规格为Φ130 mm、Φ110 mm、Φ91 mm，均为投球式取芯)。④双管半合管式金刚石钻具(规格为Φ110 mm、Φ91 mm，适用于软硬互层或软弱基岩)，如照片4。

照片2　植物胶配制及使用过程

照片3　双管半合管式金刚石钻具

照片4　双管双动内管超前钻具

一般情况下，应尽可能选择使用双管单动钻具，这类双管钻具的共同特点是内管在钻进过程中处于不回转状态，岩芯进入内管后则受到保护，避免或减少了钻具对岩芯的振动破坏及冲洗液对岩芯的直接冲刷，而且内管均自带卡簧，提钻时能够自动卡取岩芯防止岩芯脱落，另外半合管式钻具还可在回次终了提钻后卸下内管打开半合管直接接触到岩芯，避免了在敲打取出岩芯过程中对破碎软弱岩芯的扰动和人为破坏，从而提高岩芯采取率。钻孔内若遇大块石、大粒径的砂卵石或漂石，则可使用单管钻具与薄壁电渡金刚石钻头快速通过。

1.5　取芯方法

为保证覆盖层取芯质量，有多种取芯方法供选用，主要有：①投珠球干烧取芯(适用于强风化、松软、泥层等)。②双管内卡簧取芯(适用于基岩、块石层、软硬互层等)。③单管钻具钻进、钢丝钻头捞芯(适用于强风化、碎(块)石等。

2　钻探过程控制

钻探过程控制是钻探工艺设计方案的具体落实，直接关系到钻探取芯质量好坏与钻探工作的成败。在钻探实施过程中，主要把握以下几点：

(1)钻探作业前，必须制定详细作业计划，明确操作流程和执行规程，并做好相关设备、器材准备。

(2)以机组为单位，成立QC小组，由机长任组长、班长为骨干，以不断改进质量、降低成本消耗、提高工作效率。

(3)作业过程中，视地质条件选择钻探工艺，严格控制单回次进尺，不打懒钻，遇堵则提，保证岩芯采取率达标或创优，一旦发现岩芯采取率较低，即采取有效措施予以纠正。

(4)重视精心操作环节，合理配备钻具与选择压力、转速和水量等钻进参数，注意调节和保持冲洗液性能正常，并应随时根据孔内情况变化及时做出必要调整：① 当钻孔逐渐加深、钻具自重大、岩石结构松散又较软时，应尽量使用双管单动钻具，配置底喷式金刚石钻头进行减压钻进。② 当遇特别软弱夹层时，应采用半合管或薄壁钻具减压钻进，施以低转速、减压力、中等泵量等参数进行钻进。③ 当孔内沉淀多、阻力大时，应采取少钻多捞方式，保持孔内清洁。④ 若孔内漏失严重，出现孔口返浆量减少或不返浆时，应注意及时堵漏，不宜长时间顶漏钻进，否则易导致孔内事故发生。⑤ 覆盖层采用双管钻进，回次进尺低，岩芯容易在短节管或卡簧座内堵塞，若遇岩芯堵塞，可采取适当提动钻具、改变转速等处理方式；若处理无效时，应立即提钻。⑥ 钻孔能否变径、是否封孔或下套管，要视钻孔深度、岩层变化、孔内状况等情况综合分析，研究后再按步骤进行，以免造成后续工作受阻或导致孔内事故发生。

3　质量效果分析

在金坪子滑坡Ⅱ区松散堆积层最大厚度达130 m以上，钻进过程中难免会遇到复杂地质情况，若处理不当，必然会出现掉块、塌孔、卡钻等问题，这不仅会影响钻探进度，而且会影响钻探质量，只有通过精心策划、加强管理、严格操作、迎难而上，方能取得岩芯采取率达标与钻探的目的实现。

(1)针对水源缺乏、覆盖层深厚等情况，采用水泥封孔、植物胶护壁、裸孔钻进、严控进尺等措施，取得圆满成功，平均岩芯采取率除JZK31岩为72.13%外，其余均在76.73%～98.16%之间，实现了岩芯采取率全面达标或创优，如照片5、表1所示。

照片5　金坪子滑坡Ⅱ区钻孔岩芯代表照片

(2)金坪子滑坡Ⅱ区共完成钻孔14个、进尺1 636.32 m(其中覆盖层1 118.43 m)，全面揭示了Ⅱ区地质结构与物质组成(自下而上)：①古冲沟堆积。主要为碎石、碎屑夹砂层，局部明显韵律特征，大部呈砂砾石层及块石砂砾石混杂堆积，大块石架空区有砂砾石呈囊状分布，属强透水性。如照片5-a。②残坡积层。主要为紫红色、灰黑色千枚岩碎屑土，结构稍密—密实；底部为褐红色含碎屑粘土，结构紧密，呈硬塑状，该层粘土矿物(伊利石、蒙脱石和绿泥石)含量较高，占55%～75%，属微—弱透水层。如照片5-b。③崩坡积层。主要为块石碎石土，结构松散，从前缘至后部，层厚渐增，其中块径大于20 cm的块石约占20%～30%，其原岩成份主要为白云岩、硅质白云岩等，结构松散，有架空现象，属极强透水层。如照片5-c。

(3)配合安装倾斜仪、渗压计3个钻孔、地下水长观12个钻孔(PVC管)，并采用多种洗孔方法(刮孔、刷孔、清水置换泥浆植物胶等)，为钻孔彩电测试创造条件，并确保了彩电效果。

表1　Ⅱ区钻孔钻进取芯情况与揭露地质结构统计表

4　结语

金坪子滑坡Ⅱ区组成杂、厚度大、体积巨，且变形仍在发展之中，因而钻探工作极具挑战性。根据现场实际情况,系统总结以往经验教训，通过钻探工艺设计、严格过程控制，有效提高了钻探取芯质量，完成了大量的钻探及配合实物工作，为查明金坪子滑坡Ⅱ区地质特征、开展深部位移监测与地下水位长观，进而准确预判其可能失稳方式、失稳规模并正确评价其工程影响、开展防治措施研究奠定了重要基础，可供类似工程勘察所借鉴。

参考文献：

[1]薛果夫，李会中，王团乐，等.金沙江乌东德水电站预可行性研究金坪子斜坡工程地质专题报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究院，2005.

[2]李会中，王团乐，黄华，等.金坪子滑坡Ⅱ区地质特征与防治对策研究[J].长江科学院院报，2008，25(5)：16-20.

[3]李会中，郝文忠，向家菠，等.金沙江乌东德水电站坝址河床深厚覆盖层勘探取样与试验研究[J].工程地质学报，2008，16(6)：202-207.