廖 强

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650041）

马鹿塘水电站帷幕灌浆工程造孔技术方案的优化选择

廖 强

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650041）

通过现场试验，对造孔技术方案进行优化选择，解决了马鹿塘水电站大坝防渗帷幕灌浆坚硬地层造孔打滑的问题，提高了钻进效率，降低了工程费用。同时，探讨了冲击回转钻进技术应用于深孔帷幕灌浆造孔的可行性，为类似工程提供借鉴。

回转钻进；冲击回转钻进；钻进效率；钻头寿命；正交试验

马鹿塘水电站混凝土面板堆石坝坝顶高程634.00m，最大坝高154m，坝顶长度约493m。坝体防渗系统由趾板、混凝土面板、防渗帷幕灌浆、上游坝前抛填强风化岩料保护及其辅助防渗体组成。防渗帷幕灌浆钻孔工程量约27000m，原施工方案采用回转钻进技术造孔，钻进效率低，钻头寿命短，既影响施工进度，又不利于节约施工成本。因此，进行了现场试验比较，以寻求适合本工程的造孔技术方案。

1 地层特性

坝基岩性主要为寒武系眼球状花岗质黑云混合片麻岩（aGn）夹少量条痕状花岗混合片麻岩 （pGn）及变质白岗岩 （γv）。岩体多为块状、次块状结构，局部挤压带、节理带为镶嵌碎裂结构。节理较发育，以陡倾节理为主，多微张—闭合，其面平直粗糙，局部见少量锈蚀及少量高岭土化长石。岩石坚硬，研磨性中等，可钻性级别为7～10级。

2 造孔技术方案优选思路

在可钻性7级以上的基岩中进行帷幕灌浆造孔，目前主要采用金刚石回转钻进和潜孔锤冲击回转钻进两种方法。根据该工程的地层特点和前阶段施工情况分析，在资源配置有限的情况下，要提高钻进效率，可以从两方面考虑：一是对回转钻进使用的金刚石钻头进行优化选择，对钻头的金刚石粒度、金刚石含量、胎体硬度等参数进行地层适应性试验，寻求适合该工程的钻头结构参数；二是在加强钻孔冲洗、防斜纠斜等措施的基础上进行潜孔锤冲击回转钻进试验，论证冲击回转钻进技术应用于深孔硬岩帷幕灌浆的可行性，同时优选出安全、经济、适用的潜孔锤钻头。

3 现场试验

在进行钻头适应性试验时，为缩短试验周期，降低试验费用，同时又能获得较好的试验成果，采用了多指标正交试验法安排试验。

3.1 金刚石钻头地层适应性试验

3.1.1 因素和水平的选择

试验将孕镶金刚石钻头内外径、金刚石品级、水口数量等作为固定因素，以金刚石粒度、金刚石浓度、胎体硬度、唇面形状为主要因素，各选3个水平，见表1。

表1 金刚石钻头地层适应性试验因素及水平

3.1.2 正交表选择及试验安排

这是四因子三水平的多指标试验，如果采用常规的试验方法，需要进行81次试验。用正交试验法安排试验，选用正交表L9（34），只需做9次试验，具体安排见表2。

表2 金刚石钻头地层适应性试验安排

3.1.3 试验结果分析

按照表2的试验方案安排试验，不同结构参数组合的孕镶金刚石钻头各钻进一个灌浆孔，进尺各60m。试验主要测试影响金刚石钻进技术经济效益的平均钻速v和单位进尺钻头消耗量W，试验记录各种原始数据540个。对试验结果采用综合评分法进行分析，分析中取平均钻速 （v）权重系数为1.2，最高得分为120分，取单位进尺钻头消耗量的倒数 （1／W）权重系数为1.0，最高得分为100分，将两者得分之和作为综合评价指标，考核结果见表3。

许多警察机构将在情报主导警务初级阶段遇到组织变革和文化转型问题，这些问题很难通过定量数据体现。［10］公安信息化向着情报主导警务的方向转向是一个涉及警务方方面面的系统工程，需要我们从理念、体制、机制、任务协作、分析能力和平台建设等多个方面进行战略转型。

表3 金刚石钻头地层适应性试验指标考核结果

前三名指标对应的钻头结构参数：第一名胎体硬度为HRC30，金刚石粒度为60目，金刚石浓度为80%，唇面形状为平底形；第二名胎体硬度为HRC25，金刚石粒度为45目，金刚石浓度为90%，唇面形状为平底形；第三名胎体硬度为HRC30，金刚石粒度为45目，金刚石浓度为100%，唇面形状为梯形。试验表明：采用胎体硬度高的金刚石钻头钻进时容易打滑，采用胎体硬度低的金刚石钻头钻进时又磨损过快。另外，唇面形状为梯形和锯齿形的钻头寿命也相对较低。综合考虑后拟选用胎体硬度为HRC30，金刚石粒度为60目，金刚石浓度为80%，唇面形状为平底形的孕镶金刚石钻头。

3.2 潜孔锤钻头地层适应性试验

3.2.1 因素和水平的选择

试验将潜孔锤柱齿钻头的外径、翼数等作为固定因素，以钻头体材料、柱齿形状、头部外形为主要因素，各选2个水平，见表4。

表4 潜孔锤钻头地层适应性试验因素水平

3.2.2 正交表选择及试验安排

这是三因子两水平的多指标试验，用正交试验法安排试验，选用正交表L4（23），共需做4组试验，具体安排见表5。

表5 潜孔锤钻头地层适应性试验安排

3.2.3 试验结果分析

按照表5的试验方案安排试验，不同结构参数组合的潜孔锤钻头各钻进2个钻孔，进尺各120m。试验也要考核影响钻头钻进技术经济效益的平均钻速v和单位进尺钻头消耗量W，另外要测试孔底偏差L。试验记录各种原始数据240个，整理后的试验成果见表6。

表6 潜孔锤钻头地层适应性试验成果

对试验结果采用综合平衡法进行分析，每个因素相同水平的各个指标得分之和及其均值、极差计算结果见表7。从钻头体材料对各指标的影响来看，钻头体材料为20Ni4Mo时，平均钻速和单位进尺钻头消耗量的倒数 （反映钻头寿命）两个指标达到最佳；就孔底偏差来说，钻头体材料为34CrNiMo时最佳。经过权衡，取20Ni4Mo，此时孔底偏差为1.19m，在允许范围内，且比最低值仅高0.36m，但每个钻头平均可多钻2.3m。从柱齿形状对各指标的影响来看，就平均钻速而言，取锥球型齿最佳；对钻头寿命来讲，取半球型齿最好；对孔底偏差来说，取半球型齿最好。经过权衡，取半球型齿，虽然平均钻速略有降低，但钻头寿命却大大提高，而且更容易控制孔斜。从钻头头部外形对各指标的影响来看，就平均钻速和钻头寿命而言，取中间凸出型最佳；对孔底偏差来说，取中间凹陷型最好。经过权衡，取中间凹陷型，由于冲击回转钻进孔斜较难控制，中间凹陷型钻头造孔时产生凸出的岩核起到定心的作用，更能确保钻孔偏差符合要求。因此，优化后的潜孔锤钻头结构参数取钻头体材料为20Ni4Mo、柱齿形状为半球型齿、头部外形为中间凹陷型。

表7 潜孔锤钻头地层适应性试验正交分析

为对比两种造孔方法在灌浆效果上的区别，我们对试验钻孔的灌浆效果进行统计分析，见表8。从灌浆效果来看，采用潜孔锤冲击回转钻进技术造孔与金刚石回转钻进技术造孔并无质的差别。分析认为冲击回转钻进产生的岩粉较粗，不易进入裂隙，而且大多都可在钻进中被排出地面，这种由高压风或与地下水的混合物自孔底以高流速向上排出时，在孔内形成负压，不仅岩粉不会在孔壁积存堵塞裂隙，而且还能将裂隙内的一部分充填物带出，更有利于提高灌浆效果。

表8 灌浆效果统计

4 方案选择

通过试验比选，最后确定该工程的造孔技术方案如下：

a.帷幕灌浆先导孔和灌后质量检查孔由于要采取高质量的岩芯，故采用金刚石回转钻进技术造孔，并选用胎体硬度为HRC30、金刚石粒度为60目、金刚石浓度为80%、唇面形状为平底形的孕镶金刚石钻头。

b.其他各次序帷幕灌浆均采用潜孔锤冲击回转钻进技术造孔，潜孔锤钻头选用钻头体材料为20Ni4Mo、柱齿形状为半球型齿、头部外形为中间凹陷型的柱齿钻头。

5 实施效果

将优化后的造孔技术应用于剩余20000余m帷幕灌浆造孔施工中，收到了良好效果：

a.平均钻速提高了3倍左右，大大提高了工效，满足了施工进度要求。

b.造孔费用降低了约23%，计节约费用40～45万元，取得了较好的经济效益。

6 结 语

a.不同结构参数的金刚石钻头在同种岩石中破岩效果相差悬殊，优选好金刚石钻头，是实现优化金刚石回转钻进的基础。

b.冲击回转钻进技术在加强钻孔冲洗和防斜措施的基础上，应用于深孔硬岩帷幕灌浆施工，在提高钻进速度的同时，也能保证灌浆质量，对提高工程的经济效益有重要意义，类似工程可以借鉴使用。

c.正交试验法能在试验次数尽可能少的情况下，取得较好的试验效果。■

［1］ 温姝静.试谈如何提高金刚石钻进的效率［J］.西部探矿工程，2011（4）：69-70.

［2］ 鄢泰宁，段隆臣，等.提高金刚石钻头在深孔硬岩中寿命的途径［J］.金刚石与磨料磨具工程，2010（5）：32-37.

［3］ 鄢泰宁.岩土钻掘工程学［M］.北京：中国地质大学出版社，2001.

［4］ 菅志军，张玉霖，王茂森，等.冲击旋转钻进技术新发展［J］.地质与勘探，2003，39（3）：79-83.

［5］ 刘家荣，王建华，王文斌，等.气动潜孔锤钻进技术若干问题［J］.探矿工程，2010，37（5）：40-44.

［6］ DL／T 5148—2012水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2012.

Optim ized selection of curtain grouting engineering pore-form ing technology scheme in M alutang Hydropower Station

LIAO Qiang
（Powerchina Kunming Egnineering Corporation Limited，Kunming 650041，China）

Pore-forming technical schemes are optimized and selected through field test.The problem of curtain grouting slippage during pore-forming on hard formation in Malutang Hydropower Station are solved.Drilling efficiency is improved，and engineering cost is reduced.Meanwhile，feasibility of applying impact rotary drilling technique to deep hole curtain grouting pore-forming is discussed，thereby providing reference for similar projects.

rotary drilling；impact rotary drilling；drilling efficiency；bit service life；orthogonal test

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2015.08.018

TV543

B

1673-8241（2015）08-0058-04