浅谈希尼尔水库新近系软岩钻探及取芯

秦学林,沈纪安，夏卫华，翟富春，雷进东，徐劲松

(1.新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

0 前 言

希尼尔水库位于新疆巴州孔雀河流域的尉犁县境内，水库设计总库容0.98×108m3，大坝为复合土工膜防渗砂砾石坝，坝线全长7650m，最大坝高20.0m，坝顶宽6m，坝顶高程916.5m。希尼尔水库于2000年5月18日开工建设，于2003年3月15日下闸蓄水，于2004年11月全部完工。

依据2017年5月，由南京水利科学研究院编制的《新疆塔里木河流域希尼尔水库大坝安全综合评价报告》鉴定意见，大坝渗漏严重，下游坡局部坝段曾出现滑塌，坝脚附近多处曾出现管涌，经复核，正常蓄水位工况下坝后渗透压力大，下游坝坡逸出点高，下游坝坡及坝脚附近渗透稳定性不满足规范要求。根据地质资料坝基地层岩性上部为第四系冲洪积中粗砂夹砂砾石及局部低液限粉土；下伏地层岩性为新近系砂岩、泥岩，互层状。防渗体均座在砂岩、砂砾岩上，砂岩透水率多在10-30lu之间，属中等透水层，坝基存在渗漏问题。为解决坝基渗漏，使水库能正常蓄水，2019年6月开始对水库进行除险加固施工。

根据水库除险加固设计阶段前期勘探工作及除险加固工程坝基防渗处理工程施工中先导孔钻探作业，对新近系软岩地层的钻探取芯及压水试验的特点加以总结，为以后工作积累经验。

1 钻探过程存在问题

1.1 新近系地层岩性特点

水库坝基上部为第四系冲洪积中粗砂夹砂砾石及局部低液限粉土，层厚在1.3-4.2m之间；下部地层为新近系地层，岩性为河湖相沉积的泥岩与砂岩类，并夹砂砾岩，该地层呈互层状分布，岩层呈水平状产出，强风化层5-8.0m，其中砂岩胶结差，遇水软化呈散砂状，强度较低。泥岩天然密度1.9-2.1g/cm3，干燥状态下抗压强度3.01-4.35MPa，饱和状态下抗压强度0.23-0.39MPa；砂岩天然密度1.8-2.1g/cm3，干燥状态下抗压强度1.0-4.5MPa。新近系泥岩、砂岩为极软岩，新鲜基岩与第四系地层相比强度较高，具有岩性；但其遇风遇水极易风化且风化后与第四系地层无异。钻孔压水试验数据与地层岩性呈现一定规律性，透水率上部大下部小，随风化程度变化，强风化层透水率大，泥岩透水率比砂岩小。

1.2 钻探工程存在主要问题

在本次除险加固工程坝基防渗先导孔钻孔施工中，前期由于对新近系地层岩性的特性了解不够，致使试验段钻探未能达到预期效果，主要为取芯率低，完整性较差及压水试验止水困难及数据偏大、失真。

1)取芯

钻探过程中采用清水钻进，拌合管取芯，但岩芯采取率极低，岩芯完整性较差；其中砂岩岩芯采取率几乎为零，且岩芯呈散体状；泥岩岩芯呈柱状，采取率一般5%-15%。

图1 岩芯样

2)压水试验

钻孔压水试验过程中，主要存在试验段止水困难：止水气囊压力正常但孔口出现返水冒水现象。止水成功试验段其压水试验数据异常，其压水试验数据与地层岩性特征不符：下部地层吕荣值比上部地层大，泥岩比砂岩吕荣值大，个别试验段压水压力为零,但孔口无返水现象[1]。

3 钻探问题分析

针对钻探工程存在的问题，通过邀请专家现场咨询指导及现场工程地质人员分析，主要原因如下：

1)钻进方式为清水钻进，水泵压力较大，流速较高；且砂岩强度低，胶结性差，遇水易分化呈散体状；这是砂岩岩芯采取率低，完整性差的主要原因。

2)新近系地层岩性强度较低；钻孔垂直度较差，由于钻机钻探钻速较低，钻探过程中随深度增加钻杆摆幅增大，对孔壁破坏严重，加之采用清水钻进，易造成孔壁坍塌，使孔壁呈不规则状。压水试验时易造成钻孔试验段栓塞止水困难，试验失败；或造成水从孔壁与气囊之间空隙流走渗出，致使压水试验吕荣值数据偏大。

3)气囊栓塞长度不够，压水试验时钻孔试验段不能完全栓塞止水，致使水从孔壁渗出，造成试验失败。

4 新近系软岩钻探工艺

根据问题分析结果，在后期先导孔钻探施工当中，针对新近系软岩特点采取相应的工艺措施。

1)严格控制钻孔垂直度，对钻孔取芯及压水试验分孔进行，采取不同的钻探工艺及措施。

2)取芯钻孔全孔采用植物胶钻进，拌合管取芯，单回次钻进≤60cm。

3)压水试验钻孔采用干孔钻进，套管跟进，单回次钻进≤60cm；栓塞止水采用气囊栓塞止水，且气囊长度应≥60cm。

在后期钻孔施工中，改进钻孔工艺及措施后，取芯及压水试验均取得预期效果；岩芯采取率>95%，压水试验数据变化规律与地层岩性相符[2]。

表1 坝基地层岩性及压水试验透水率表

图2 改进钻探工艺后的岩芯样

表2 坝基地层岩性及压水试验透水率表

5 结 语

希望我们在希尼尔水库新近系泥岩、砂岩地层中钻探的经验能够对我们以后在相似地层的钻探提供参考与帮助。在此感谢塔里木河流域管理局建管处、希尼尔水库管理局及中国水电基础局有限公司希尼尔水库项目部，在钻探施工过程当中给与的帮助、协助！