水利水电工程建设中的钻探和灌浆技术研究

冯泽波 湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司

1 前言

由于水利水电工程建设相对比较复杂，其所牵涉的工程技术领域和学科范围比较广泛，而且施工规模大，建设期限也相应较长，所以在现实施工过程中，对每个施工技术要素规定都比较严格；同时也应引起建设方的重视，并通过安全可靠的手段完成施工过程，以此提高水利水电工程的施工效果和建筑品质。在这个流程中，钻探灌浆施工技术是其中的关键技术之一，在实践使用流程中也起到了不容小觑的作用。

2 水利水电工程钻探与灌浆施工技术概述

在水利水电工程的钻孔灌浆施工中，钻孔施工技术主要是对水利水电建筑物下的土层和岩石进行施工，并评价地下岩层的稳定性。矿山、煤矿、石油勘探的钻孔施工，主要是勘探目的和钻孔技术。水利水电工程的注浆施工主要是借助钻孔技术和特定的注浆设备，将液体胶状液体按科学比例压入建筑物或基础部位裂缝中的施工技术。

灌浆技术可以提高水利水电工程的质量，避免其他液体渗入，进而提高水利水电工程的施工水平。因此，加强水利水电工程的钻孔灌浆施工监督，一方面可以提高水利水电工程的施工技术，规范施工程序，保证施工进度；另一方面，借助科学技术加强施工管理，预防和减少钻孔事故的发生，提高钻井效率。

3 水利水电工程中钻探与灌浆技术的应用原则

水利水电施工中的钻探建筑施工环节，与矿山、采煤、油气勘查等钻探建筑施工均不同。水利水电中的钻探施工，侧重于要求准确地解析出水利水电工程下的土石，根据地层的形态特征和状态，判断地下岩石的分布情况及稳定性。如采矿、煤矿开采、石油勘探等，钻探施工主要侧重于勘探目的和钻探技术。

水利水电工程的勘探，必须对各类层位原状样做出各项基本物理力学性质和水文地质学方面的试验，对岩层产状的运动稳定性、区域的运动平衡稳定性以及岩层产状的渗透性等必须进行科学合理的判断，如此可以对水利水电工程建造的安全做出科学合理的工程建设预算，以此确定切合实际的工程造价。水利水电钻探施工过程中，要对生产作业环境条件展开全面、多方位的认识，以查清覆盖层的地理构造和厚度等基本状况，以便制订科学合理的建筑施工方法，保证钻探工程建设的顺利完成。

4 水利水电工程建设中钻探与灌浆技术研究分析

4.1 钻探技术

水利水电施工中采用的钻探技术，与传统探矿、采面使用的钻探、对油田的勘探及其他类型的钻探技术不同，这不仅是勘查目的上的差异，还体现在勘查的条件和钻进采用的工艺技术和特点等方面的差异。从定量分析角度上说，在水利水电施工中使用钻探技术是为了发现水利枢纽工程下的地质岩性特点，以便可以正确地对层位进行分类，并对稳定性作出正确的评估。从定量分析角度来看，要正确评价岩性地层的承载力、稳定性和渗透性，必须对不同层位的样品进行必要的化学、物理测试和水文地质测量，并由此判断工程的初步设计是否合理、稳定和安全，从而评估工程的造价和可行性。

水利水电工程建筑钻探施工之前，必须先多角度全面了解作业环境，而重点掌握的则是建筑钻探部位的地质构造和地质覆盖层的厚薄程度，从而制定出最科学合理的施工方法，以确保建筑钻探各项工作能够顺利完成。

清水用作冲洗液有着相对便宜且取材简单的优势，还能够随时对钻探表面做冷却处理，减少了钻探前端的高温以及对钻头的钻探冲击。但是，清水也非常容易对卡料结构中取样地层产生损伤，从而导致不能对部分地质结构进行正确合理的分析判断。即使采用了其他弥补方法加以弥补，也很难再对现场的岩石地貌情况做出合理的评估。

常规钻探方法采用的主要是双单管钻具，这些常规钻具的口径一般为Φ168mm、Φ146mm、Φ127mm、Φ108mm和Φ89mm，而这些推进方法的平均钻探普通工效为每天8h～12h，8m～20m不等，同时对机械设备的消耗也很大。根据这种弊端，一些施工单位通过结合实际情况,对钻头的规格和形式作了调整，从而大大提高了钻探工作效率。

另一些钻探方法也是使用合金钻机，这些钻具大都是在遇到较坚硬的岩石地层时采用，同时也可结合实际的地层状况对水压和冲洗液量的尺寸和速度进行相应的调节，以提高效率，从而缩短工期。合金钻机的口径型号通常为Φ127mm、Φ108mm、Φ90mm 和Φ76mm。水利水电工程建设，在钻探效益上的提升离不开钻具种类的持续发展和丰富多彩，这是钻探效益提升的物质基础。

另外，在钻探某些地质比较疏松的区域时,也必须重视对坑壁的防护，因此,一般都可在常规钻探中采取套管跟进的方式进行防护，比较常见的套管口径型号有：Φ209mm、Φ168mm、Φ127mm、Φ108mm 及Φ89mm 五种。针对比较疏松的地质情况，在钻探过程中不应该只是把钻探当成唯一的动力工具，还应该透过增加推动力使套管推动。

在苏北及西南地区，由于地貌条件比较复杂，而且易产生较大的孤石，根据实际操作经验，单纯采用钻探方法非常容易损伤钻头，所以要结合孤石尺寸和方位等各种因素，对其实施爆破式钻探，并且在爆破时还必须确保套管的安全性。

4.2 灌浆技术

灌浆技术作为我国水利水电工程建筑施工的基本技术手段之一，被广泛应用于水库基础的防渗和加固施工中，而灌浆技术又是提升水库渗漏结构的坚固性和安全性的关键科技保障。由于水库与堤坝之间的地基结构是一个工程的关键因素，需要对其加以处理后，才能够切实满足防渗和稳定的工程需要。

近年来，我国灌浆技术也在原来的基础上不断地向前发展。无公害化、持久性好，满足工程建设中各种苛刻条件，且物美价廉的灌浆浆材的研制、使用和普及，注浆成形新科学技术的研发、完善和提升，以及注浆成形专用设备、器具制造技术的定型化、系列化、成套化、国家标准和环保化，以及新产品的不断完善与提升等，都必将是其未来的主要发展方向。

按照不同的使用场所，砂浆工艺技术主要可包括无塞灌浆技术、混凝土砂浆工艺技术、诱导砂浆工艺技术。①无塞灌浆技术。这是一种循环型、不待凝、洞内封闭的水泥灌浆技术，如钻一个比56mm 帷幕灌浆洞大20mm 的76mm 孔，其孔长约为1.5m～2.5m，可以进入原套较复杂的注浆成型堵头，或者只能使用一根钻杆或无缝型钢作为注浆管，或者利用钻杆与L 壁之间的间隙作为注浆管进行循环注浆。②混凝土灌浆技术。这种技术首先运用在坝体堵漏与加固等施工中，后由于建设的日益发达而被大量转移并运用于土木施工中，由于水泥具有很好的保护抗震等优点，在水利水电施工中也具有很广泛的使用前景，在全国范围内有许多成功运用混凝土灌浆技术建造堤坝和水利工程的先例。③诱导灌浆技术。这是一项较为独特的灌浆技术，它是运用电化学的基本原理，按照施工条件设定相应的阻力，阻挡水利水电施工中岩层的外侧压力，并利用电子控制泥浆的成分和水温等技术参数，限制泥浆流动范围，以实现对水利水电等工程设施的加固目的。

灌浆技术的质量管理应综合以下方面：灌浆技术的科学合理与否，作业人员的技能训练能否到位，以及建筑物的结构特点等。灌浆工艺质量的大体管理办法是：首先针对施工既定目标开展现场勘察，然后召集科研人员探讨并确定最适宜的灌浆工艺，包括科学合理选用浆材，以及根据施工环境的气温分布、地质分布等，力求使灌浆工艺最大限度地符合施工特点。

必须特别注意有以下几点：①用劈裂灌浆方法进行灌浆时，劈裂现象必然会最先出现在载体中垂直最小主应力的水平平面上。②劈裂灌浆方法可通过数值法和曲线法，描述在水泥灌浆载体中产生水力劈裂的条件和判断其特性。当速度与水头成线形关联时，流动在裂隙中呈现出层流状，灌浆载体中并未发生水力劈裂；当速度与水头成平方根函数关系时，渗流呈现出紊流状，很可能裂隙中发生了堵塞或裂隙中的填充材料已被压密；当速度的增加等于流动的增加时，则说明渗流截面已被扩大，这是由载体劈裂、裂隙填充物材料被冲毁以及裂隙变化等因素所造成。③吸渗效应是将化工泥浆对低渗透性介质的渗透性，是由于化工泥浆对载体的润湿能力和亲和力，并通过接触角θ来表达化工泥浆对媒介的润湿。所以，当θ＞90°时，以浆液为载体的润湿相，亲和力F＞0，产生吸渗效应；而当θ＜90°，则无吸渗效应，需要通过外加压强才能使泥浆灌入。

5 水利水电工程钻探与灌浆施工技术思考

5.1 钻探施工技术要点

在水利水电工程的钻井施工中，施工技术要点主要包括以下几点。

第一，施工前要做好施工准备工作。对水利水电工程施工区域展开调研，充分了解需要施工的区域，将调研结果汇总成调研报告，并在调研报告中对钻井施工中可能出现的问题提出合理的解决方案，并采取相应的预防措施。根据勘测报告编制科学的施工方案和施工图纸，确保钻井施工技术和钻井作业的顺利进行。

第二，加强对钻井施工质量的监督控制。在水利水电钻井施工中，管理人员应加强对钻井施工现场的检查，严格监督施工现场的施工环节和细节，避免出现任何偏差，以免影响到钻探施工的质量和水平。

5.2 灌浆施工技术要点

在水利水电工程的灌浆施工中，主要施工要点具体如下。

第一，在进行砂浆建筑施工之前，首先，政府要做好对建筑施工材料质量的监管工作，在采购砂浆建筑施工材料时，质监人员要对建筑施工材料的型号和品质做出记录，为了保证建筑施工材料引入时严格检查。科学合理的配置施工中砂浆液体，以保证砂浆液体的质量。同时，在砂浆施工准备中，要加强施工设备的维护，避免施工过程中施工设备出现质量问题而影响施工。

第二，在注浆施工中，要提高施工过程的质量管理。在施工过程中，利用先进的科学技术和信息技术，提高混凝土砂浆浇筑过程的现场监测。如果发现施工过程中的细节问题，可以及时反映和处理。在注浆施工中，通过实施建筑施工技术，以提高工程技术水平。同样，在建筑施工过程中，如果现场施工材料不够好或即将提供补充材料，现场控制中心可以及时获取信息，对施工现场进行管理，补充现场施工材料。

第三，在注浆施工中，要改进现场施工技术。如在注浆施工中，可以采用非封堵注浆的现场施工技术，用钻杆代替原有的复杂堵头。当注浆形成孔的注浆过程完成后，可将该钻杆拔出，更换其他钻具，然后继续注浆。这样，注浆施工技术可以大大提高施工质量和技术，从而保证施工进度，而且，在注浆工程施工中，施工单位要建立技术规范，严格规范注浆施工程序和施工标准，以保证注浆施工质量。因此，在注浆施工中，建设单位应引进先进的施工技术和设备，提高水利水电工程注浆施工技术水平。

第四，在注浆施工中，注意一些施工问题和细节。首先，一旦施工现场出现较大裂缝，必须及时处理，防止影响施工进度。其次，在施工中，如果出现吸浆特别严重的情况，必须对其进行减压，然后添加加速剂，进而采取间歇式灌浆作业，如此反复进行，进而保障灌浆施工的质量。

5.3 水利水电工程灌注技术的质量检测

首先，对所有的资料和数据进行汇总和审核，仔细分析运行数据，确定质量是否符合标准。

其次，钻孔检测。对帷幕和固结注浆钻孔取芯进行检测，检测孔可采用液压测试。帷幕注浆检查孔为注浆孔的10%，固结注浆可为5%。检查孔的位置应选择在地层复杂的地段。同时，孔径应保证帷幕注浆大于110mm，固结注浆大于140mm。

最后，对检查孔进行水力试验。操作应按照单井水力试验操作规程开展，试验应分为三个压力阶段。但是，在试验前，压力相当于1.5倍的水头，应使用于试验前的冲洗和清洗。流量稳定后，调整压力，根据三个试验压力进行正式的水压试验。结果应小于设计吸水率后，方可确认注浆质量合格。

6 结束语

综上所述，水利水电工程项目的建造必须多项技术综合应用，才能确保建筑工程的优质。而钻探施工是水利水电工程中的重点施工技术，因此，必须采取严密的工程质量控制措施，对其进行实时监测和检测，才能确保钻探工程质量。而灌注桩技术也在水利建设的施工中被日益关注，但与此同时国家又提出了更多的要求，针对工程建设中技术和工艺，都要严格遵照国家有关规范实施，以期更好地推动水利工程的建设与发展。