谢武1 伍元杰2 付成3
中国水电基础局有限公司，天津 301700
摘要：泸定水电站工程高水头大涌水深厚覆盖层地层施工条件，成孔施工难度极大，通过改变泥浆性能，在泥浆中掺入重晶石粉作为加重剂，以及植物胶和表面活性剂等材料，通过加重泥浆钻孔工艺有效地防止了粉细砂层造孔过程中流砂及塌孔事故的发生，保证了施工进度，对今后类似地层的施工有一定的借鉴作用。
关键词：泸定水电站；加重泥浆；钻孔施工
1 工程概况
泸定水电站位于四川泸定县，为大渡河干流第12级电站。水库正常蓄水位1378.00m，总库容2.195亿m3，装机容量920MW，工程为二等大（2）型工程。电站大坝为粘土心墙堆石坝，建基于覆盖层上，坝顶高程1385.50m，最大坝高79.50m；坝址河床覆盖层深厚，一般厚度120m～130m，最大厚度148.6m。河床部位（0+105.50m~0+250.30m）坝基防渗体系由垂直混凝土防渗墙下接三排灌浆帷幕（防渗墙内一排、防渗墙上下游各一排）组成，混凝土防渗墙厚度1m，最大深度110m，覆盖层灌浆帷幕深度约40m；两岸部位坝基防渗体系由垂直混凝土防渗墙+基岩帷幕灌浆（防渗墙内一排）组成。
2013年3月31日于右岸在量水堰下游约186m发现渗水，涌水点坐标X=3313814.9、Y=521975.9，高程约1306m，位于坝轴线下游448m（对应坝桩号0+236m），距大坝坡脚约209m。涌水初期流量约5L/s，至2013年4月15日涌水区地面发生塌陷，流量目测增至约200L/s，且有较多的灰黑色细颗粒涌出，以后流量在188L/s～212L/s。涌水点附近出现地面开裂、河床塌陷等变形。大坝下游河道涌水出现后，分别对涌水点和涌水区域进行了压重反压、排水减势的应急处理措施。针对涌水点，在管涌塌陷区用碎卵石（混凝土骨料）杀势找平，粗砂、土工织物、沙袋压边、透水砂砾料铺设等处理措施；针对涌水区域，抬高涌水反压区高程、扩大反压保护范围，涌水区靠河侧采用挡墙进行永久防护、在涌水反压区设置深层减压排水孔等措施。经过应急处理，涌水含砂有明显改善，涌水出口未再出现塌陷，但涌水流量未见明显减小。
除了上述应急处理措施外，针对坝基防渗体系，先后在坝基防渗体系进行了四期补强灌浆处理。
截止2020年2月27日，坝后量水堰及涌水点水质清澈，未发现新的涌水点，坝基浅层渗压计成果正常，2020年2月27日库水位1377.46m时，坝后量水堰流量263.61L/s，涌水点流量46.97L/s。
2 工程地质
坝址区河谷覆盖层深厚，层次结构复杂，一般为120～130m，最大厚度148.6m，层次结构复杂。根据物质组成、分布情况、成因及形成时代等，自下而上主要分为以下四层七个亚层：
第①层：漂（块）卵（碎）砾石层，系冰水堆积（fglQ3），厚度51.85～75.31m，顶板埋深62.2~81.8m。颗粒成分以弱风化花岗岩、闪长岩为主，属强～中等透水性。
②-1亚层：漂（块）卵（碎）砾石层，厚度26.25～28.06m，顶板埋深46.2～56.8m，属强～中等透水。
②-2亚层：碎（卵）砾石土层，厚8.2～79.45m，顶板埋深1.85～68.2m。颗粒成份为闪长岩、花岗岩，次棱角状为主，属强～中等透水性。
②-3亚层：粉细砂及粉土层，透镜状展布于上坝址河谷中下部，厚6.52～32.8m，顶板埋深29.68～39.36m。以粉、细砂为主，底部见粉土层，属强～中等透水性。
③-1亚层：含漂（块）卵（碎）砾石土层，展布于坝址区Ⅰ级阶地和上坝址河谷右岸，厚度5.0～39.36m，顶板埋深0～39.36m。粗颗粒成分以弱风化花岗岩、闪长岩为主，属强～微弱透水性土。
③-1b层透镜体为含泥角砾中粗砂，呈透镜状展布，属弱透水性土。
③-2亚层：砾石砂层，厚度约8.3m，以中、粗砂为主，属中等透水性。
第④层：冲积（alQ4）堆积之漂卵砾石层，分布于坝址区现代河床及漫滩，厚度5.6～25.5m。颗粒成份以弱风化闪长岩、花岗岩为主，属强透水性。
由于地层中局部为砂层，钻孔过程中塌孔情况十分普遍，对施工进度的影响极大，如何处理钻孔塌孔是难点和重点。
3 加重泥浆钻孔施工工艺
3.1 加重泥浆的组成
本工程选用膨润土作为造浆材料，在泥浆中掺入了重晶石粉作为加重剂，天然有机高分子材料使用多糖类植物胶，化学处理剂选用烷基苯磺酸钠。选择使用膨润土泥浆有以下原因：为保证钻孔地层的稳定性，考虑到地层的透水性，膨润土泥浆能形成致密的泥皮，可减少和防止孔壁的透水，保证孔壁的稳定；膨润土本身含砂量很低，所制作的泥浆密度较普通粘土泥浆小，有利于泥浆循环清孔；膨润土泥浆悬浮能力强，清孔后可保持孔底部较长时间内无钻渣沉淀[1-3]。
选择使用重晶石粉的原因是：由于本工程地下水位较高且地层夹有粉细砂层，为了防止在造孔过程中发生流砂和塌孔事故，在泥浆中掺入重晶石粉作为加重剂，以增加泥浆的比重压制涌水[4]。
植物胶是多年野生草本植物根加工而成的土黄色粉末，主要成分为含多糖类的丰乳糖、甘露聚糖及纤维素等，其水溶液为棕红色半透明的黏稠胶体，无臭无味，具有特殊的滑性。其溶液在覆盖层钻孔取芯施工时，具有良好的固壁和提高岩样采取率的作用[5]。
表面活性剂具有很好的降低泥浆的表面张力和润湿、渗透和乳化的性能[6]，可以提高泥浆在管路中的输送性能。
加重泥浆的配比及性能测试表见下表1，加重泥浆拌制后的状态见图1。
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3.2 加重泥浆钻孔施工工艺
钻孔采用加重泥浆钻孔结合孔口封闭钻孔工艺和清水钻进的方式。在浅层加重泥浆发挥作用之前，如遇不成孔、涌水涌沙等情况采用钻灌结合的方式施工；下部采用加重泥浆钻孔时，当遇到不成孔、漏浆、塌孔严重时需预灌处理。在钻孔时一方面通过加重泥浆的自重来抵御水头的压力，另一方面通过浆液的粘度来达到护壁效果，来防止涌水、涌砂。
（1） 覆盖层钻孔（第一预设深度以上）
采用清水钻进，用φ91的钻具，钻孔过程中遇塌孔、失水、涌水特殊情况采用水泥浆固壁，此时由于孔较浅加重泥浆浆柱压力较小影响，无法发挥压制水头的作用。针对塌孔，将射浆管下设至需要注浆的孔段用浓浆返浆之后，用1-2MPa的注浆压力压制；针对涌水、失水情况可将灌浆塞卡塞至能卡住的最大深度，然后注入一定量的水泥浆后待凝，根据待凝水泥结石强度情况实施扫孔。在本工程钻孔施工中，第一预设深度为40m。
（2）覆盖层钻孔（第一预设深度以下）
采用加重泥浆、加重纤维泥浆或强度在1-2MPa的低强度灌浆材料作为护壁浆液进行钻进。加重纤维泥浆是指在加重泥浆基础上添加了聚丙烯纤维或聚酯纤维所得的浆液。加重纤维泥浆的原料为：膨润土、重晶石、植物胶、聚丙烯纤维。低强度灌浆材料要求强度在1-2MPa，优选凝结时间在10-30min的快凝浆液，原料为普通水泥、UWB-II型絮凝剂、膨润土。
在钻孔施工中，护壁浆液根据涌水情况进行选择，且在不起下钻的情况下连续切换，主要包括以下几种切换方式：
第一种切换方式：
加入加重泥浆，继续钻孔并监测加重泥浆的回浆量和回浆比重；当加重泥浆的回浆量降低10-30%或回浆比重降低20-30%时，将加重泥浆切换为加重纤维泥浆；继续钻孔并监测加重纤维泥浆的回浆量和回浆比重；若回浆量保持稳定，继续钻孔至预设孔深。
第二种切换方式：
加入加重泥浆，继续钻孔并监测加重泥浆的回浆量和回浆比重；当加重泥浆的回浆量降低10-30%或回浆比重降低20-30%时，将加重泥浆切换为加重纤维泥浆；继续钻孔并监测加重纤维泥浆的回浆量和回浆比重；当加重纤维泥浆的回浆量降低10-30%或回浆比重降低20-30%时，将加重纤维泥浆切换为低强度灌浆材料；继续钻孔并监测低强度灌浆材料的回浆量和回浆比重；当低强度灌浆材料的回浆量保持在稳定值5%范围之内时，将低强度灌浆材料切换为加重纤维泥浆；继续钻孔至预设孔深。
第三种切换方式：
加入加重泥浆，继续钻孔并监测加重泥浆的回浆量和回浆比重；当加重泥浆的回浆量降低10-30%或回浆比重降低20-30%时，将加重泥浆切换为加重纤维泥浆；继续钻孔并监测加重纤维泥浆的回浆量和回浆比重；当加重纤维泥浆的回浆量降低10-30%或回浆比重降低20-30%时，将加重纤维泥浆切换为低强度灌浆材料；继续钻孔并监测低强度灌浆材料的回浆量和回浆比重；当低强度灌浆材料的回浆量保持在稳定值5%范围之内时，将低强度灌浆材料切换为加重泥浆；继续钻孔至预设孔深。
第四种切换方式：
加入加重泥浆，继续钻孔并监测加重泥浆的回浆量和回浆比重；当加重泥浆的回浆量降低30%以上或回浆比重降低30%以上；将加重泥浆切换为低强度灌浆材料；继续钻孔并监测低强度灌浆材料的回浆量和回浆比重；当低强度灌浆材料的回浆量保持在稳定值5%范围之内时，将低强度灌浆材料切换为加重泥浆，继续钻孔至预设孔深。
采用低强度灌浆材料作为护壁浆液，在漏失较大地层周边采用低强度灌浆材料作为护壁浆液，不仅仅是防止钻孔涌水涌沙，更重要的自身还成为了“外层套壳料”，从而为高水头动水条件下的作业孔内下套阀管创造可行条件，避免套壳料因缺少跟管的保护而被动水冲走。低强度灌浆材料作为护壁浆液要求强度1-2MPa，能够随开环破裂，使得灌浆步骤中灌浆液能够进入地层。
4 加重泥浆应用效果
在经过高水头大涌水深厚覆盖层地层条件下采用灌浆进行堵漏处理，造孔成孔是关键因素。
（1）钻孔坍塌、缩孔
施工中钻孔有发生坍塌、缩孔现象，尤其是在110～130ｍ 细砂层段。由于造孔时发生坍塌、缩孔而造成卡钻、埋钻事故频频发生，严重制约工程进度、影响工程质量。根据地质资料显示，该孔深是在细砂层段，该层大部分变为疏松状态，造孔时使用的普通泥浆悬浮、携带细砂的能力较弱，造成孔内细砂淤积过多而发生埋钻事故。同时，普通泥浆对砾砂层的固壁能力差，施工中极易发生因固壁效果不好而坍塌埋钻的事故[7]。施工中虽然采取由有经验的操作手精心操作，并在该层每钻进1.0～1.5ｍ后，上下活动钻具至孔口管底部，这样对保持孔形，防止坍塌、缩孔虽然起到一定作用，但大大降低了该层工效，因坍塌而埋钻、卡钻事故仍时有发生，未能从根本上解决问题。
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图2 加重泥浆钻孔施工
（2）钻进工效低，材料耗费大
在原防渗墙预埋管钻进扫孔时，金刚石钻头在钻进过程中受力不均，再加之金刚石钻头钻进时的高转速，使钻杆、钻具产生强烈的振动，极易损坏钻头、钻具，容易扫偏出墙，并且大大降低钻进效率。施工中根据地层情况先采用Ф60的复合片小钻头扫孔，再使用Ф75的复合片钻头扩孔，然后采用Ф91复合片钻头再扩孔，最后采用Ф91金刚石钻头扫孔。施工中也可以根据具体情况直接采用各种直径和材质的钻头进行钻进。在施工中虽然采取更换不同硬度的钻头，选择较合理的钻进参数，但大量的扫孔使钻头消耗大，钻进效率低。扫孔深度大，容易扫偏，出现涌水涌砂现象，这就需要对出现问题的孔段采取注浆或加重泥浆灌注措施，材料耗费大。加重泥浆钻孔施工现场图片见图2。
基于上述原因，采用加重泥浆做钻孔护壁浆液，合理的钻孔施工工艺成功地解决了上述技术难题。
5 结论
本工程高水头大涌水深厚覆盖层地层施工条件，成孔施工难度极大，通过改变泥浆性能，在泥浆中掺入重晶石粉作为加重剂，以及植物胶和表面活性剂等材料，通过加重泥浆钻孔工艺有效地防止了粉细砂层造孔过程中流砂及塌孔事故的发生，保证了施工进度，对今后类似地层的施工有一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]杨勇.复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用[J].地下空间与工程学报,2010,6(04):838-844.
[2]雷国辉,王轩,雷国刚.泥浆护壁开挖稳定性的影响因素及失稳机理综述[J].水利水电科技进展,2006(01):82-86.
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[4]曹增强.加重泥浆在乌金峡围堰防渗墙施工中的应用[J].水利建设与管理,2010,30(10):1-4.
[5]邱太宝,雷再均.植物胶重晶石粉加重泥浆在有承压水厚覆盖地层中应用成效[J].西部探矿工程,1995(02):62-64.
[6]王道宽,乌效鸣,朱永刚,契霍特金V.F..表面活性剂改善钻井液速溶的效果评价[J].煤田地质与勘探,2015,43(05):117-120+124.
[7]邢银建,郭高占.泥浆性能对粉细砂层地质钻孔灌注桩质量的影响[J].水利水电施工,2014(05):95-97+109.
作者简介：
[1]谢武，1984年3月出生，男，中国水电基础局有限公司科研设计院高级主管，高级工程师，硕士研究生，主要从事灌浆材料研究与应用工作。
[2]向嘉强，1970年11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，本科，从事施工技术研究与管理工作。
[3] 王晓飞，1981年4月出生，男，中国水电基础局有限公司三公司副总工程师，高级工程师，本科，从事水利水电基础处理施工技术研究与管理工作。