梨园水电站冰水堆积体开挖钻孔机械的选择.pdf

水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第 7期 梨 园水 电站冰 水堆积 体开挖钻 孔机 械 的选择 王亚辉 ，王永兴 ( 中国人民武装警察部 队 水电第一总队，广西 南宁5 3 0 0 2 8 ) 关键 词 ：冰水 堆积体 ；开挖 ；钻 孔机械 d o i ：1 0 1 3 9 2 8 j c n k i w r a h e 2 0 1 5 0 7 0 2 1 中图分类号 ：T V 5 5 1 4 2 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 7 2 0 3 1 概述 1 1 冰水堆积体的形成 、分布和特征 我国冰水堆积物主要形成于第 四纪冰川 ，在这个 时期，山岳冰川携带的大量松散物质被冰川融水搬运 至河谷地带进行淤积 ，形成了大量冰水堆积体。冰水 堆积体主要集中在青藏高原及其向东延伸 的西部山区， 具体分布在西南和西北地区高山及周边地区，其主要 分布特征以沉积在大江大河的河谷地带为主，海拔在 8 0 0 3 0 0 0 m之间。冰水堆积体颗粒粒径分布范围广 、 物质成分复杂 ，组成冰水堆积体的颗粒大小相差悬殊 ， 土体不均匀系数高，结构复杂，内有呈鸡窝状架空现 象，大多具有一定程度的泥质或弱钙质胶结。冰水堆 积体的透水能力较差， 表现出一定程度的层流 紊流 过渡状态的特点 ，渗透性具有整体上随深度增加而变 小、从平面上和剖面上有不均一性、在空间上各个方 向渗透性具有明显差异的特征。其抗剪强度较高，在 剪切破坏过程存在较明显的应变强化和剪胀现象 。 1 2梨园水电站概况 梨园水电站位于云南省丽江市玉龙县( 右岸 ) 与迪 庆藏族 自治州香格里拉县( 左岸) 交界的金沙江中游河 段，为金沙江中游河段规划的八个梯级电站的第三个 梯级。工程 以发 电为主，可发展旅 游、库 内航运 等。 水库正常蓄水位 1 6 1 8 I P - ，回水长约 5 8 k m，相应库容 7 2 71 0 m ，电站装机容量 2 4 0 0 MW。枢纽布置方案 为面板堆石坝、右岸开敞式溢洪道、左岸岸边厂房方 案，面板堆石坝最大坝高1 5 5 m ，属 I 等大( 1 ) 型工程。 1 3 梨园水电站左岸趾板冰水堆积体特征 电站左岸趾板基础系指左岸 1 5 0 51 6 2 3 m高程 范围的趾板基础，布置上紧邻电站进水 口，并处于电 站内分布的一最大冰水堆积体下咱 E t 堆积体的北 端 ，上游堆积物覆盖厚度大于 3 0 m，至坝轴线处厚 度一般 1 5 2 0 m。左岸趾板堆积体 的层理分界 比较 明显 ，表层是一层具钙泥质胶结形成的硬壳 ，硬壳下 面是具有层理状结构的砂卵砾石层和冰水堆积层 ，砂 卵砾石层主要分布于堆积体前部 ( 近现代河床部位) ， 组成物质以卵砾石为主，局部夹沙或孤石 ，冰水堆积 层分布于堆积体后部。基于左岸趾板的布置特征和地 质结构特征 ，选择左岸趾板基础开挖施工来研究冰水 堆积体的开挖施工技术具有典型代表 眭。 2 钻孔机械选取研究 冰水堆积体开挖施工 中钻孔工序是整个开挖过程 中至关重要的一道工序，其钻孔难道也决定了整个开 挖进度及成本。冰水堆积体结构成分复杂 、胶结严重 等特征使得钻孔时容易卡钻 ，钻头磨损严重 ，钻孔效 率低 ，成本高。如何使钻孔更加趋于J l N ，使成本有 效降低 ，选择合适的钻孔机械是关健 。确定了爆破孔 深和间排距后 ，通过不同的钻孔机械进行对 比试验 ， 通过钻孔速度 、钻头磨损情况 、是否卡钻等情况进行 对 比选取最合理的钻孔机械。钻机在钻孑 L 作业时影响 其钻孔效果的主要参数是风压 、耗风量大小 、钻头 、 钻孔质量等 ，当然跟钻机本身品质也有很大关系，但 不是决定性因素。一般进行露天大体积开挖的钻机有 全液压潜孔钻机、履 带式潜 孔钻机、小型潜孔钻 机 等。这些钻机按照风压分为低风压 、中风压和高风压 钻机。全液压钻机风压相对 比较低 ，常用的系列有阿 收稿 日期 ：2 0 1 5 0 5 0 4 作者简介 ：王亚辉( 1 9 7 8 一)，男 ，工程师 ，支队总工程师 。 W a t e rRe s o u r c e s a n dHy d r o po we r En g i n e e r i n g Vo 1 4 6No 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 特拉斯 R O C液压 系列 、英格索兰液压 系列 ，履 带式 高风压潜孔钻 常用 的系列有 C M3 5 1钻机 ，中风 压钻 机常用的有红五环 HC 7 2 6 A钻机。 2 1 钻孔机械选择试验分析 选用英格索 兰 8 3 1 C液压钻 机、红五环 H C 7 2 6 A 钻机 、C M3 5 1高风压钻孔 三种不 同风压 的钻机 ，在 同一区域内分别造孔 l 0个 ，通过对造孔 的成孔效率 分析钻机的造孔效率。所选 的区域是冰水堆积体结构 比较复杂 、内部结构不连续、整体性差的部位 ，这些 部位钻孔时成孔难度更大，对钻机要求更高，对试验 成果更有说服力 。三种钻机的主要参数及其现场钻孔 试验数据如表 1和表 2所列。 表 1 常用潜孔钻机主要参数 钻机名称 工作风压 耗风量 回转扭矩 钻孔直径 及型号 MP a m3 mi n 一 1 N m mm 英格索兰 8 3 1 c液压钻 O 7 2 O 2 5 2 0 9 01 3 O 红五环 H C 7 2 6 A履带钻 O 71 6 71 2 1 8 0 0 9 01 3 0 C M 3 5 1履带式钻机 1 O 52 4 6 1 1 2 1 2 3 4 0 1 0 51 6 5 表 2 钻机钻孑 L 数据汇总 钻机名称 设计 孑 L 深 孔径 成孔深度 成孔耗 时 成孑 L 效率 及型号 m mm m mi n m mi n 一 1 英格索兰 8 3 1 C液压钻 3 9 0 2 5 8 2 1 4 5 0 1 2 2 红五环 H C 7 2 6 A履带钻 3 1 1 5 2 8 5 1 8 1 0 1 5 9 C M 3 5 1履带式钻机 3 1 1 5 2 9 3 1 7 3 0 1 7 4 通过以上数据分析 ，英格索兰钻机风压较低 ，耗 风量 比较大 ，但成孔难度较大，成孔深度 比设计深度 相差 比较大 ，钻孔耗时长 ，成孔效率很低 ，采用此机 械造孔成本高 ，进度慢 ；红五环钻机风压适中，耗风 量相对较小 ，钻孔成孑 L 相对 容易 ，成孔 深度 比较 理 想 ，钻孔时间效率相 比英格索兰钻机大大提高 ，采用 红五环钻机造孔成本要降低许多 ，且进度也有加快 ； C M3 5 1钻机成 孔效 果好 ，基本 能按 设计 深度 成孔 ， 钻孔耗时短 ，时 间效率 比较高 ，采用 C M3 5 1钻机钻 孔成本 比较低 ，进度快。出现以上结果的主要原 因是 冰水堆积体结构成分复杂 ，胶结好 的结构物与胶结差 的结构物相互混合使得整个结构物不连续不均匀 ，钻 孔时所受的岩体阻力程度不一致，并且遇到松散体容 易塌孔 ，需要用钻机对松散体吹出孔外 以保证成孔 ， 当风压太小时吹孔效果太差 ，成孔难度就会变大 ，钻 进速度也会 降低 ，成 孔效率也 降低 ，随着风压 的增 加，吹孔效果会变好，成孔难度也会降低，钻进速度 也会加快 ，成孔效率提高。从数据分析 ，低风压钻机 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第 7期 王亚辉， 等梨园水电站冰水堆积体开挖钻孔机械的选择 和 中高风压钻机钻孔 的效果明显相差太大 ，而中风压 钻机相 比高风压钻机效果也 有差别 ，但差 别相对较 小 。因此对于冰水堆积体的开挖爆破造孔机械适宜采 用 中、高风压钻机。具体而言 ，对于结构连续、整体 性好的冰水堆积体 ，钻孔机械采用中、高风压钻机都 适合 ，而对于结构不连续不均匀的堆积体 ，采用高风 压更能保证正常的施工进度和有效控制成本 。 2 2 特殊钻具和钻孔工艺 上述试验是选择普通钻杆及钻 头进行试验分析， 在研究时尝试采用特殊 的钻具进行试验以便论证普通 钻具 的结论实用性 。为此 ，选用螺旋钻杆和偏心跟管 钻孔两种特殊钻具进行试验分析。 2 2 1 螺旋 钻杆 钻孔 工 艺试验 螺旋钻杆钻机工作原理：工作时由动力头驱动螺旋 钻杆、钻头旋转，被钻头切削下的渣料由螺旋叶片输送 到地面，钻至设计深度提钻成孔。由于冰水堆积体结构 不均，局部松散，空隙率较高，为了避免大型钻机在钻 进过程中对孔壁扰动而塌孔严重 ，在试验时选取了低速 率、小扰动的 1 0 0 B潜孔钻机，将常规钻孔直接换成螺 旋钻杆，冲击器仍采用 1 0 o 1lo_n 冲击器， 试验选在具有 代表l 生的堆积体结构不连续、整体性差的区域。经过现 场钻孔试验 ，当钻至 1 5- 2 5 m深度时，螺旋钻杆无法 将孔内碎渣全部旋出，因钻杆与冲击器直径相 同，加上 塌孔 ，钻杆全程与孑 L 壁接触 ，造成卡钻而无法继续钻 进 ，钻孔失败。失败的主要原因是因为钻孔所在的区域 堆积体结构不连续不均匀，当钻进到松散体时， 松散颗 粒填充到钻杆螺纹之间，把钻杆螺纹整个空隙塞满，使 摩擦力增大，当钻孔深度达到一定程度，摩擦力增大到 一 定值，钻杆将被卡住从而使钻孔失败。 2 2 2偏 心跟 管钻 孔 工 艺试 验 偏心跟管钻孔 由套管( 专业钢管 ) 、冲击器、偏心 跟管钻机( 采用 1 0 0 B钻机) 、套管靴组成。其工作原 理是利用偏心钻头破碎孔底岩石 ，扩大钻孔孔径，跟 进套管护壁 ，从而达到成孔 目的。采用此方法有套管 护壁 ，能够防止塌孔 ，因而钻孔成孔较深，解决了深 孔成孔困难的问题 ，只是造孔工序完成后套管还不能 及时拔出，须将炸药装完后才能用液压拔管机将套管 拔出。在现场进行 l 0 m深孔钻孔试验，实际操作 时， 虽然成孔 比较好 ，但钻进速度仍然 比较慢 ，炮孔深度 在 71 0 m时，其钻孔时间为 3 5 4 5 h 孑 L ，钻进速 度为 0 0 4 0 0 6 m m i n 。另外 ，装药完成拔管时耗 时 为 1 5 h 孔 ，因此完成“ 造孔一 装药一 拔管” 一个完整 工序 ，每炮孔总耗时为 56 h ，很明显，施工效率极 其低下。钻进速度慢的主要原因是在堆积体钻孔需来 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王亚辉， 等梨园水电站冰水堆积体开挖钻孔机械的选择 回吹孑 L 影响了钻进速度，另外下套管需要时间也影响 了钻进速度 ，拔 管时需安装拔管机 ，效率也很低下。 从钻孔效率来看偏心跟管钻孔工艺不适合堆积体的施 工，同时，套管周转率低 ，如大量采用跟管造孔工艺 ， 则钻机及套管数量需求量大，成本翻倍增加 ，从成本 的角度看偏心跟管钻孔方法也不是很好的方法。 从螺旋钻杆钻孔方法和偏心跟管钻孑 L 方法两种工艺 试验结果可以得出结论，两种方法要么钻孔根本就不能 成孔，要么成孔时间效率非常低，且成本非常高 ，因此 这两种特殊的钻孔工艺方法都不是有效的施工方法。 此堰塞体结构也是松散的、结构不连续的、整体性差 ， 对于相类似的冰水堆积体开挖钻孔使用的机械种类在 堰塞体开挖 时同样有借鉴 意义。应 急救援贵在一个 “ 抢” 字，如何能根据所需承担的任务迅速定下决心是 成功处置的关健 ，对于堰塞湖排险，如果从任务受领 开始即能迅速定下所需装备等资源的配置，那将大大 节约定下决心的时间，为处置险情赢得时间。堰塞体 开挖所需关健机械是钻孔机械，因此对于对堰塞体开 挖有借鉴意义的冰水堆积体开挖钻孔机械选择的研究 不仅对施工生产有意义，对应急救援同样有深远意义。 3 结论 参考文献： 本文通过对梨园水电站左岸趾板冰水堆积体的开 挖进行钻孔机械选择试验和特殊钻具及工艺试验 ，对 两种不 同结构特征的冰水堆积物的钻孑 L 机械选择进行 了研究 ，通过现场试验结果和试验数据分析得 出结 论 ：对于结构相对连续整体性好的冰水堆积体爆破开 挖钻孑 L 采用中高风压钻机 ；结构不连续整体性差的冰 水堆积体爆破开挖钻孔采用高风压钻机。 冰水堆积体开挖所需的钻孔机械要求是因其特殊 的地质结构特征决定的，其特征概括地讲就是结构松 散、整体性差、有胶结，此结构特征与地震抢险救援 中堰塞湖排险时堰塞体的地质结构特征相类似 。堰塞 湖是因地震引起两侧山体崩塌而堵塞江河而形成 ，因 、 易朝路 ，崔之久 ，熊黑钢 中国第 四纪冰期数值 年表初步划分 J 第四纪研究 ，2 0 0 5，2 5 ( 5 ) ：6 0 9 6 1 9 施雅风 中国第四纪冰期划分改进建议 J 冰川冻土，2 0 0 2 ， 2 4 ( 6) ：6 8 7 6 9 2 彭建兵，马润勇，卢全中，等 青藏高原隆升的地质灾害效应 J 地球科学进展， 2 0 0 4 ， 1 9 ( 3 ) ： 4 5 7 4 6 6 郑本兴 云南玉龙雪 山第 四纪冰 期与冰川演 化模式 J 冰川 冻 土，2 0 0 0，2 2 ( 1 ) ：5 3 - 6 1 涂国祥 西南河谷古 冰水堆积体 工程特性及 稳定性研究 D 成都 ：成都理工大学 ，2 0 1 0 赵希涛，张永双，曲永新，等 玉龙山西麓更新世冰川作用及 其与金沙江河谷发 育的关系 J 第 四纪研 究 ，2 0 0 7 ，2 7 ( 1 ) ： 3 5 4 4 ( 责任编辑陈小敏 ) ( 上接 第7 1页) 层混凝土交界处的粗骨料依靠振动碾的激振力将胶凝 材料浆嵌人粗骨料使上下层混凝土成为一体。因此碾 压混凝土在铺筑砂浆更具有 良好的结合性能 。 ( 2 ) 碾压混凝土冷升层且层问铺筑砂浆( g 2 ) 相 比 较于冷升层且铺小级配混凝土( g 3 ) ，其摩擦系数、 粘聚力分别提高了 1 3 3 、1 2 。小级配混凝土进 行表面处理 ，由于其含有小石 ，小石之间也需要一定 的浆液填充 ，虽然摩擦系数有一定的提高 ，但抗剪能 力减幅较大 ，不利于大坝的抗渗 。因此碾压混凝土层 间铺筑砂浆比铺小级配混凝土性能优越。 6 2 试 件破 坏面 分析 g 1组( 直接铺筑 ) 5个试体基本 沿混凝土本体剪 断，断面平整 ，大颗粒骨料较多 ，骨料之间的胶结较 差 ，断面起伏在 2 4 e m之间。 g 2组( 铺筑砂浆) 5个试体 基本 沿混凝 土层面剪 断，剪切后的破坏面不平整 ，极少量大骨料被剪 断， 剪切层面边角呈上凹、下凸状最大起伏差 2 5 e m。 g 3组( 铺筑小级配混凝土) 5个试体基本 沿混凝 7 4 土层面剪断，粘结较差 ，大部分沿薄弱面破坏 ，存在 摩擦痕迹粗骨料剪断较多 ，最大起伏差 2 4 c m。 6 3 剪切面抗 剪断试验水平应力 T与水平变形 ， 的关系 根据在抗剪试验过程中的水平剪应力与剪切面的水 平位移差值 ，绘制出三种工况下的关系曲线。见图 1 。 图 1 ( a ) 、图 1 ( c ) 中： M前段 为线性关 系， 中间为二次曲线 ，峰值为最大剪应力 ， 后为 的 下降段，残余强度基本为恒定值。破坏时发出声响且 有明显峰值 ，属脆性破坏 。图 1 ( b ) 中： u前 为线性 关系 ， 中间为二次 曲线 ，峰值为最 大剪应力 ，破 坏时无声响无明显峰值 ，属近似塑性破坏 。 通过抗剪试验 r 的两种关 系反 应了碾 压混 凝土层面粘结 、胶接情况。层间铺筑砂浆胶结较好 ， 剪断后峰值有明显的下降，与硬岩 、完整岩石 的剪断 r一 u关系类似 ；而层面粘结较差时 ，层面为明显的 软弱结构 面，剪切破坏时存在摩擦 痕迹 ，其 一 u 关系与硬岩 中的软弱夹层剪断关系类似 。 ( 责任编辑欧阳越 ) 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第 7期 l 1j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m