杨房沟水电站大坝常态混凝土超长芯钻取施工技术研究

宋涛 刘涛

摘要：

为有效钻取能直观反映杨房沟水电站大坝混凝土密实性、层间结合紧密程度、骨料均匀性的长芯，以验证混凝土浇筑质量，开展了超长芯钻取工艺试验研究。介绍了钻孔机具选择、钻进参数选取、钻进过程控制和取芯措施等长芯钻取施工技术与方法。实践成果表明：该混凝土长芯钻取工艺参数与方法合理，并成功取出28.15m超长混凝土芯，提出了施工改进建议。研究成果可供类似工程混凝土长芯样钻取借鉴。

关键词：

混凝土； 超长芯钻取； 施工技术； 杨房沟水电站

中图法分类号：TV523

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.009

文章编号：1006-0081（2023）S1-0030-03

0 引 言

钻孔取芯是对大体积混凝土质量检查最直接和有效的手段。超长芯样直接揭示了混凝土内部原始状态，直观反映混凝土密实性、骨料分布均匀性以及浇筑层间结合的紧密性。许多专家及学者对碾压混凝土钻芯或是小孔径钻芯技术进行了总结和研究。光照水电站大坝碾压混凝土钻孔取芯最长芯为15.33 m（直径150 mm），是当时碾压混凝土世界领先水平［1］；居甫渡水电站大坝碾压混凝土钻取芯长度为13.31 m（直径150 mm）［2］；罗建锋［3］分析了混凝土钻芯与地质岩心钻取的不同，研究了相关工艺技术；陈俊［4］提出芯样获得率和折断率是评定碾压混凝土均匀性的重要指标，取出完整、连续的原状碾压混凝土芯样是关键。然而，对25 m以上的常态混凝土芯样长芯钻取的研究与实践较少。

本文以杨房沟水电站工程为例，通过现状调查、工艺试验以及钻取过程控制，对大坝混凝土长芯样钻取施工技术进行了研究。

1 工程概况

杨房沟水电站为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高155.0 m；泄洪消能建筑物为坝身表、中孔+坝后水垫塘及二道坝，泄洪建筑物布置在坝身，消能建筑物布置在坝后；引水发电系统布置在河道左岸，地下厂房采用首部开发方式；电站进水口型式采用岸塔式；引水隧洞采用单机单洞竖井式布置；主副厂房洞长230.0 m，高75.57 m，岩梁以下宽28.0 m、以上宽30.0 m；电站总装机容量1 500 MW，安装4台单机375 MW的混流式水轮发电机组。2020年12月17日大坝混凝土全部浇筑完成，于2021年10月16日全部投产发电。

2 长芯钻取技术试验与施工

2.1 工艺试验

为了验证长芯钻取施工工艺的可行性，在混凝土浇筑厚度约10 m的大坝观景平台合适位置开展钻芯试验。从经济角度出发，在基于大量调研的基础上，选取GQ-80型门式钻机配套粗径钻钻具开展工艺参数试验。通过试验，在该部位成功钻取了直径242 mm、长度L=8.5 m的混凝土芯样，初步确定在大坝混凝土长芯钻取过程中采用转速为 60～200 r/min，钻进速度约0.35 m/h，钻压高于混凝土抗压强度5 MPa，采用清水作为冲洗液（冷却液）且流量控制在40～80 L/min的施工标准。

2.2 长芯钻取施工

在工艺试验研究的基础上，按照规划的钻孔位置，在大坝15号坝段坝顶高程2 102 m平台开展混凝土长芯钻取技术研究与实践工作。

2.2.1 准备工作

（1） 为检查评价杨房沟水电站拱坝已浇筑混凝土质量，提前规划在3，5，13，15号坝段坝顶钻取长芯。在浇筑至2 070 m高程时，预埋和焊接14号槽钢连续垂直向上引作标识，并用Φ32 mm钢筋或角钢加固于横缝模板上，槽钢安装埋设位置距横缝1.5 m、距上游坝面4 m，垂直埋设；坝顶面取芯孔位置在槽钢下游0.5 m，距横缝2 m，仓面冷却水管、仪器、金属埋件、线缆等布置需避开取芯位置，在仓面设计中精确反映型钢、取芯位置，每仓由测量人员对槽钢位置进行校核。

（2） 提前编制专项措施，并组织业内专业人士进行评审和咨询，使专项措施更具可操作性和可靠性。

（3） 比选论证，结合工程应用案例，选取综合效益最优的钻机及钻具。提前准备各类耗材和加工施工围栏、支架等。

（4） 抽调经验丰富的作业队伍开展轮训，确保每一名施工人员能熟练掌握操作技能和质量控制要点。

2.2.2 钻孔机具选择

（1） 钻机选型。为获取完整芯样，必须保证混凝土芯在钻取过程中不发生折断和磨损现象。通过比选论证，最终选用GQ-80型门式钻机，其最大钻孔直径600 mm、最大可钻取30.0 m深孔，动力头正转速度有40，118，218，300 r/min等4个等级、反（正）转速62 r/min，最大扭矩4 500 N·m、整机重量2 500 kg。上机前调整钻机立轴动力头与滑轨间隙，保证钻进过程平稳。

（2） 钻具选型。① 钻杆和机杆的选择应保证其垂直度及合适长度。为了避免在钻进时钻杆摆动和振动幅度大，对钻机和立轴的稳定不利，应提高钻具的同轴度，尽量使用粗径钻杆钻进；大钻杆刚性强、抗弯曲性能好、摆动幅度小、可承受较大扭矩，发生卡钻、断钻概率小。本次选择直径124 mm粗径钻杆，长度为0.5～3.0 m。② 钻杆直线度、钻杆钻具连接后的同轴度、钻杆钻具端面垂直轴线与孔轴线偏距是保证钻孔不发生较大偏斜的三大控制指标。每一根钻杆下钻前，利用细钢丝紧附在钻杆两端拉紧，用游标卡尺测量钢管弯曲处最大弦高，计算钻杆直线度，直线度大于0.25%的不得使用；钻杆与钻杆、钻杆与钻头丝扣连接后应保证同轴度偏差小于Φ 0.04 mm，钻具与钻杆端面与轴线的垂直度偏差小于0.08 mm。③ 根据所取部位混凝土的特性，确定钻头金剛石目数为40～45、JR5级、胎体硬度15°～20°、直径250 mm。

2.2.3 钻进参数

（1） 本次取芯采用单管取芯法，为降低混凝土芯在钻进和拔芯过程中的折断概率和磨损程度，取芯孔轴向为铅直方向。

（2） 通过现场观察与借鉴其他工程经验，在满足下列条件时可尽量采用高转速：孔内冲洗液流畅，钻具震动小；钻具有足够的强度；钻机安装牢固，机上钻杆和孔内钻杆平直；混凝土完整。

（3） 结合本工程骨料特性、混凝土抗压强度及抗研磨性等，在工艺试验的基础上，将钻机转速与钻进速度分别控制在120 r/min、0.40 m/h左右。

（4） 根据混凝土性、钻头性能等综合选择钻压。结合工程经验，钻压一般高于所钻混凝土抗压强度5 MPa左右。

（5） 冲洗液（冷却液）为清水。高流态、大流速平稳供水，保证孔底石粉、石屑能冲出孔外，防止钻头因长期摩擦混凝土发热及石屑卡钻而影响钻机效率和钻芯质量。流量不宜过大，应控制在60 L/min。

2.2.4 钻进过程控制

（1） 孔位采用全站仪放样，偏差不大于4 mm。为便于开孔与测斜控制，作业人员将钻机位置混凝土打磨找平，采用仪器对钻机立轴及主动钻杆进行垂直校正，通过垫片调节钻机水平度，打地锚将钻机固定。开钻之前需再次校核钻机摆位水平度和开孔角度，保证钻机立轴线与孔轴线最大程度重合。开孔采用最低转速，一般为40～60 r/min。钻压采用低压，并确保开孔的垂直度。

（2） 正常钻进过程中转速采用中低速平稳钻进，如出现抖动或过于晃动则应立刻停钻。钻进过程中操作人员随时观察供水和孔内返水情况及钻机运转情况，详细记录各类异常情况。升降钻具过程中，仔细检查钻杆、接头的弯曲和磨损情况，弯曲、磨损严重的钻具应立即更换。下钻时，不得将钻具一直放到孔底；离孔底0.2～0.3 m时，用大流量水冲洗孔，慢转轻压扫孔，进尺0.2～0.3 m后再恢复正常压力和转速。升降钻具应平稳，禁止不顾孔内异常情况盲目快速升降，以防“抽吸”作用造成垮孔。钻具放入或提出孔口时，由专人扶持，以避免因摇摆碰撞损伤钻头。

（3） 钻进功效较低时，可能是钻头金刚石出刃不理想、研磨能力降低，可将钻头取出后使用硝酸浸泡，或人工凿磨改善性能。

（4） 每次钻进结束之后，在起钻之前应加大给水流量对钻孔进行冲洗，直至回水澄清为止。保持孔内清洁以利于顺利起钻。

2.2.5 取芯措施

混凝土芯样在从岩芯管内取出的过程中易被折断，钻孔达到预定深度后，利用卡簧座与卡簧将芯样底部卡住，在孔口利用夹板夹紧岩芯管，用千斤顶协助钻机立轴顶拔芯样，使用该水电站缆机缓慢起拔钻具；孔内钻具取出孔外后，应首先将芯样摆放位置找平，在混凝土芯样从岩芯管内取出之前，先用自由钳拧卸掉钻头；拧卸钻头及取芯时，严禁重锤或猛击钻具，防止芯样击打震断。使用圆木、导链将岩芯管内的混凝土芯样缓慢顶出，也可在岩芯松动后，利用压力水将岩芯顶出岩芯管，即可获得长而完整的芯样。

2.2.6 芯样吊运与存放

混凝土岩芯吊出钻孔后，利用30 t缆机吊运至岩芯放置平台，使用另外一台缆机和25 t汽车吊配合，将混凝土芯样缓慢放置到支架上。放置架安装完成后，应进行水平度检测和调整。水平度检测、调整采用水平管进行。

3 取芯成果

通过本次研究与实践，在杨房沟水电站工程15号坝段顶成功取出直径242 mm、长度28.15 m的混凝土超长芯样，其穿过8个浇筑层、7个水平施工缝面、56个浇筑坯层。该成果表明杨房沟水电站拱坝混凝土浇筑质量较高，验证了混凝土长芯钻取工艺参数与技术的合理性。

4 同类施工改进建议

（1） 重视培养质量意识。部分施工队伍存在追求“短、平、快”的现象，加之工程核心技术的保密性，现场质检人员难以深入检查，在混凝土芯样钻取过程中会出现芯样被人为折断和严重磨损现象，从而影响对大体积混凝土内部质量的客观评价。因此，应给予大坝混凝土取芯作业合理单价，同时还应加强培养质量意识，强调混凝土芯样完整的重要性。质检、班组长应跟踪检查钻机各项性能是否稳定、各项钻进数据是否正常，及时采取纠偏措施。

（2） 长芯钻取尽量采用大口径。小口径钻孔速度快、效率高，钻杆自重小、刚度低、摆动大、钻机不

易固定，孔斜控制十分不易，芯样容易发生折断，同

时会在不受控制的情况下打断混凝土钢筋、仪器和冷却水管，因此，混凝土钻孔取芯多选择150 mm以上口径，在空间受限的情况下可采取小口径钻芯。

（3） 合理选择钻机。大型钻机具有自量大、自稳性好、扭矩大、鉆孔精度高等优点，对混凝土取芯完整性和连续性有优势。然而，大钻机对场地和交通条件要求高，维修和使用成本高。此外，钻机的选型还应根据钻机性能、工程应用案例、取芯口径与长度要求、施工场地条件、经济条件等综合评估选择。

（4） 尽量选取单管工艺。双管钻具适用于软弱、破碎岩体，对于提高岩石钻芯RQD值有很大优势。然而，受岩芯管长度的限制，双管钻具反而阻碍混凝土长芯的钻取。

（5） 合理选择适宜的钻头。钻头表镶金刚石与孕镶金刚石各有优劣。表镶金刚石钻头不适用于破碎和松散地带，在非常破碎的岩石中应采用出刃较小的钻头，即细颗粒金刚石孕镶钻头。选取钻头时，在考虑钻进效率的同时还应考虑成本；应结合混凝土强度、骨料硬度与强度、可磨性等方面选择。

（6） 钻头带卡簧可能折断混凝土芯样。钻头带卡簧防止芯样脱落，能提高岩芯采取率，但钻头带卡簧适用于破碎岩体，对于大体积混凝土不适用，且卡簧反而会增加混凝土芯样折断率，降低混凝土芯单根长度。在混凝土取芯达到设计孔深，或混凝土芯样发生断裂现象需要出孔时，应更换带卡簧的钻头，以利于芯样上提。

（7） 转速的选择应根据混凝土骨料特性、抗压强度、研磨性等确定。转速高，振动大，易加剧芯样破坏；转速过低，则钻速低，时间延长。选择最佳转速，合理操作，可防止芯样堵塞、自磨与折断。

（8） 精心规划钻孔质量控制。① 孔位应精准，避免打断钢筋、冷却水管及其他仪埋设施；② 孔径应大，本次取芯孔直径250 mm；③ 钻孔应深，因为完整、连续、表面不受磨损的混凝土长芯可真实反映混凝土内部质量，本次所取长芯设计孔深为30.0 m；④ 垂直精度应高，否则钻孔过程中发生的较大偏斜易使钻杆产生摆动，混凝土芯重心失稳，应力集中部位发生断裂和磨损的机率较大。垂直精度控制是质量控制的重点。

5 结 语

杨房沟水电站常态混凝土长芯钻取工作为后续雅砻江流域卡拉水电站、孟底沟水电站等大坝混凝土芯样钻取积累了宝贵的经验，可供类似工程混凝土长芯钻取借鉴。

参考文献：

［1］ 林森.光照水电站大坝碾压混凝土钻孔取芯和压水试验检测［J］.贵州水力发电，2008（5）：78-81.

［2］ 贾鹏辉.居甫渡水电站大坝碾压混凝土钻孔取芯和压水试验［J］.云南水力发电，2009，25（4）：34-35，57.

［3］ 罗建锋.浅析碾压混凝土钻孔取芯施工技术［J］.科技资讯，2010（27）：110.

［4］ 陈俊.碾压混凝土钻孔取芯技术漫谈［C］//中国水利学会地基与基础工程专业委员会.第八次水利水电地基与基础工程学术会议论文集.北京：中国水利水电出版社，2006：607-610.