水力论文：丹大坝勘察水上钻探的分析与研究

　　苏丹大坝勘察水上钻探的分析与研究
　　谢永亮
　　（华北有色工程勘察院石家庄050021）
　　摘要：大坝勘察必须准确查明河底地层，即沉积物的厚度、分布、岩性及透水性。由于钻机与井口之间隔着一层深度不等的河水，大大增加了水上钻探的复杂性，需要考虑河水深度、流速、到岸边的距离以及风浪等影响因素，因此水上钻探具有技术要求高、施工条件复杂、未知因素多等特点。本文总结了苏丹Dagash水利水电大坝水上勘察经验，对水上钻探出现的问题进行了分析与研究，为以后类似工程施工提供了一些参考。
　　关键词：大坝勘察，水上钻进，存在问题，解决方法。
　　水上钻探是通过浮船或平台用陆上钻探设备，在水上进行钻探的一种方法。随着钻探工艺的发展，不断出现新的施工方法和手段，工程施工管理体制逐步与国际接轨。
　　华北有色勘察院从2006年起，相继完成了苏丹六个水利水电大坝的地质勘查工作，Dagash是其中最大的一个大坝勘察项目，遵循英国场地勘察实施规范(BS5930)，从技术到钻探得到了苏丹政府的充分认可，打开了华勘院在国外的勘察道路。
　　1水上钻探流程
　　1.1选择钻机
　　(1)根据地层、钻孔深度、钻孔角度和钻孔直径选择钻机；
　　(2)在满足条件1）的情况下，应选择体积小、重量轻的钻机；
　　(3)一般选择CY-300、CY-600、HXY-4T型钻机。
　　Dagash大坝工程选择CY-600、CY-300和HXY-4T型钻机。
　　1.2组装钻探平台
　　每个钻探平台均由两个12m长、1.5m宽的船型浮箱并排连接组成，二浮箱间距宜控制在1.0m~1.5m。上面配有钻机、发电机、泥浆泵、电动卷扬（2个）及其它附属设备，如有需要每个平台可安装4个活动支腿。
　　1.3移动钻探平台
　　根据水面及钻孔情况，可选择以下方式：
　　(1)用船拖动；
　　(2)用卷扬机钢丝绳拉动。
　　本工程选择用2条60马力的小船拖动平台。
　　1.4固定钻探平台
　　(1)河面较窄时可以在河面上横拉一根钢丝绳固定平台；
　　(2)用锚固定平台，锚可分为：重力锚、钻孔锚、打入锚、一般的三爪或四爪锚。
　　重力锚，是用铁笼子装上石块制成，重约3~4吨；钻孔锚，根据钻孔定位的需要，一部分钻孔封孔时预先埋入钢丝绳作为其下游钻孔的锚；打入锚，在指定位置，用重锤将带有钢丝绳的钢管打入河底的砂层中。
　　固定钻探平台的步骤：①按着设计好的坐标抛重力锚，锚绳采用Φ15~25mm的钢丝绳，长50~100m，锚漂处要预留钢丝绳套。②用船推动平台到达锚漂下游20~30m处，用另一条小船拖着平台的揽绳(采用Φ15mm的钢丝绳)与锚绳连接好。③减小平台的推动力，使平台缓慢顺水而下，最终使揽绳拉紧固定住平台。④在测量人员的指挥下调整揽绳的长度使平台准确的定位在钻孔坐标上，收紧揽绳把平台固定好。
　　1.5水上钻孔套管的固定
　　(1)准确测量河水深度，用于确定套管的长度。
　　(2)下护管：由于河水流动，套管不易下直，应先下护管，护管采用Φ168mm套管，一般长度为3~5m。下护管的方法是：在平台定位之前，将护管的上端固定在钻孔孔口，但能转动，下端穿过固定在平台下面的支架上。必要时可以用计算好长度的钢丝绳拉紧导正管下端，与平台前部两个船型浮箱的槽钢连接当护管下入河水后，河水的冲力自动把护管冲成垂直的（若是斜孔，方法一致，长度另外计算）。
　　(3)下套管：如果河水较浅且水流不急，可以不下护管直接下套管。在有护管的钻孔，套管从护管内下入。第一次套管进入河底砂层一般不小于1.5m。
　　1.6水上钻探工艺的选择
　　(1)覆盖层钻探工艺：采用Φ108mm单管钻具，合金钻头，孔底局部反循环工艺[1]。具体方法为：第一步钻进，钻具一定要超过套管，避免钻具与套管之间有大量砂土沉淀使两者挤死，套管跟着钻具转；第二步下套管，把套管打入到钻进的深度，套管连接处一定要焊接牢固，避免钻进过程中脱扣；第三步冲洗套管内残余岩粉，用Φ108钻具，正循环工艺，把套管内的残余岩粉冲洗干净。要注意不能过度冲洗，冲洗深度不能超过钻孔深度。
　　(2)基岩钻探：钻到基岩后应马上换Φ108双管单动钻具，金钢石钻头，因为上部风化严重不易取芯，下部比较完整容易采芯。
　　2施工环节的问题及其解决方案
　　2.1工程背景
　　Dagash位于苏丹喀土穆北部，距离苏丹第四大城市阿特巴拉200公里，全区水源匮乏，除沿河流域可耕作外，北部大多是沙漠戈壁，水、电缺乏一直制约着苏丹北部工农业的发展，在此修建水利水电大坝迫在眉睫。
　　该地区岩层以片岩为主，水流相对平稳，水面宽400m左右，覆盖层相对较厚，一般在40m左右,是典型的河流沉积相。
　　2.2现场试验问题
　　(1)现场试验包括标准贯入试验、静力触探试验、压水试验、渗透试验等，依照英国场地勘察规范和工程合同要求，覆盖层中每5米做一个降水头（或定水头）试验，基岩中每5米一个压水试验[2]。要求孔内试验段必须准确无误，孔内沉淀不得超过30cm，这是我们面临的最棘手的问题。
　　沉淀不易冲净的原因有以下几点：
　　①套管内残留沉淀较多，有一定的粘性；
　　②孔内沉砂较多，用清水冲孔以后，部分砂土回落；
　　③套管下部沙层较厚，冲完孔提钻过程中由于倒吸作用，使套管外的砂子涌进，导致冲孔失败。
　　解决方法:跟管钻进，设置取粉管，大泵量配合冲孔，提钻过程中在套管口补给清水，用来防止倒吸。
　　2.3取芯问题
　　(1)砂层取芯
　　①砂层取芯难的原因是：钻杆内部充满了河水，对砂层有一定的冲刷作用，单纯的孔底局部反循环，不能完全吸住岩芯管内部的岩芯，没有专用钻头卡取松散的砂子。
　　②解决方案：加工原有合金钻头，在钻头体内部添加双翼(半圆状鱼尾)，上部固定胶垫，调节喷反钻具，钻进过程中配合冲击、回转的方式取芯。
　　(2)卵砾石层取芯
　　①卵砾石层取芯难的原因是：卵砾石硬度大、浑圆度高、砾径不一、易坍塌掉块、钻头不易卡取。
　　②解决方案：若直径较小且大小相近，采用上述的射流孔底反循环的方法；若直径较大，采用双管钻进或自制的锚钻；若砾径大小不一，采用单管锚钻头。
　　(3)强~全风化岩层取芯
　　①强~全风化取芯难的原因是：地层交错、风化程度不均、构造破碎带较多，再加上片岩随着风化程度的增加，结构变化较大，强度很低，岩芯变的松散易碎，钻进过程中受水的冲蚀作用，岩芯随水流流失。
　　②解决方案：钻进过程中遇到构造破碎带，及时更换双管单动钻具，调整钻进的规程参数，轻压慢转，缩短回次进尺，必要时采用自制锚钻头；遇到强~全风化地层，及时采用孔底局部反循环，以免岩芯被冲走。
　　2.4套管问题
　　(1)跟进套管
　　①难以跟进的原因:覆盖层厚且变层较多，砾石隔层分布厚度较大，水流冲击平台稳定性较差。
　　②解决方案:砂层中采取先取心疏松地层再跟管的方法；砾石层先用砂层中的方法，如若不行采取水泥注孔或下双层套管；岩层中采取先取心、再扩孔，然后下管的方法。
　　(2)起拔套管
　　①难以起拔的原因是:套管穿过的覆盖较厚，水上平台的稳定性较差。
　　②解决方案:采用带配重的冲击杠，向上慢慢敲打套管，逐根拆除，直至套管全部拔出。
　　(3)套管折断的处理
　　①折断的原因有:风浪或水流大引起的平台摇晃，使套管折断或折伤；焊接加固部位不牢，不能承受冲击力。
　　②解决方案:准确计算套管折断的位置，若这段处位于河底砂层以上，配置相应的丝锥，耐心打捞；若套管断于砂层中，放弃打捞，打事故报告通知监理。
　　3小结
　　通过对水上施工过程的分析与总结，了解了工程当中的薄弱环节，其中的一些隐患问题可以提前排除，这样不仅丰富了施工经验而且提高了工程的安全系数，达到了安全与效益的双丰