浅谈苏丹上阿特巴拉水利枢纽右岸土堤坝后减压井钻孔施工方案的优化设计

浅谈苏丹上阿特巴拉水利枢纽右岸土堤坝后减压井钻孔施工

方案的优化设计

摘要：根据苏丹上阿特巴拉水利枢纽右岸土堤坝后面前期地质勘探资料及渗流观测资料，并结合减压井施工过程中成本控制考虑，对坝后减压井钻孔施工方案进行综合分析，经过对比分析后选择减压井最优施工方案。

关键词：减压井；成本控制；施工工艺对比；优化设计；最优选择

一，工程概况

1.1位置

减压井位于右岸土堤CHB3+300~CHB4+400下游坝址集水渠内，共23口井，间距50m，孔径Φ460mm，此段多为 silty sand、poorly graded gravel with sand 覆盖，地层结构较为松散。

二，地质条件

减压井施工区域，根据前期勘探资料及渗流观测资料显示，多为Clayey silt、Silt、Poorly graded sand 等地层，即黏质粉沙，粉土，不良级配砂层地层，此类地层机构较为松散干燥，自身稳定性较差。底部基岩多为 sandstone、siltsand 及silty sandstone，即砂岩，粉砂岩，泥质砂岩：CHB3+300~CHB3+400段岩体出露高程在EL470~EL490之间，CHB3+650~CHB3+650段岩体出露高程越在EL490，CHB3+650~CHB4+400段岩体出露高程约在EL499.5.

三，施工目的及任务

（1）避免坝址下游发生渗透破坏；

（2）避免坝址下游沼泽化

（3）降低坝体浸润线，增加坝体稳定性。

根据德国拉美尔公司S-LI-CWE-8810-C1-B CMS # 136 Drilling and Installations of Right Bank Dyke Well函件，综合来说，即减压井的施工，是用于由于大坝浸渗而可能产生的扬压力进行减压，增加坝体的稳定性，从而达到减压井的施工目的及任务。

四，合同工程量及价号选择

根据合同文本BOQ清单，工程量及价号选择如下表（表1）所示：

工程量清单（表1）

五，坝后减压井钻孔施工方案对比

根据本工程项目地层情况，施工方案可选择如下表（表2），施工工艺流程图（表3）所示：

表2：施工方案列表

5.1振动沉管成孔

采用JZL-90A多功能钻机，配备厚壁钢管（外径φ460mm，壁厚12mm）作为

砂层护壁套管。

（1）土层施工：

首先采用钻机带半合管振动沉管捞取表层粘土。对一些不易掏取易脱落的地

层部位，则采用带底阀的半合管捞取成孔。

（2）砂层施工：

进入沙层时，取下带底阀的管段，下沉套管，边下沉套管边从套管上所开的

窗孔加水，防止流砂。一直沉管至设计孔深以下1米。然后在套管内用φ410mm

或φ273mm的带底阀的捞沙管捞砂，经2-5次捞取，到达设计孔深，终孔。

（3）土砂分界线鉴别：

为防止个别地段减压井地下水位较高，土层较薄，或承压水头较大易流砂，

则鉴别土砂分界线提前作好加水平压工作非常重要。计划采用以下四方面措施：

①招标阶段地层剖面图反映的地质情况；

②土石坝新增的大坝地质勘探孔揭露的地质情况；

③在半合管内捞取的样品进行现场鉴定及分析；

④在以上三种措施不能准确判断的情况下，采用小口径超前取样鉴定。

（4）成孔后

测量孔深，如孔底沉渣较多，应用抽砂筒抽砂，直至孔深满足设计要求。

然后在孔底回填1米块碎石压住流砂，结束后下设潜水泵把孔内的污水抽出，同时置换干净的水防止流砂现象

（5）起拔套管

采用分段投放起拔方法实施，即每回填一定高度的滤料后就提升一段护壁套管。每回填1.5米高，起拔套管1米。勤测量套管与ABS管之的回填滤料深度，

保证在砂层时套管埋入滤料最小厚度0.5米深。回填到土层最后2~3米时，可拔

出套管然后在孔口进行回填滤料。起拔套管采用钻机的卷扬或者是改进的拔管机

进行。

（6）洗井

采用空压机供风，并向孔内注水，用一根带有花管的洗井管，以水气压力自

下而上反复清洗井管，直至回水清澈符合设计要求

5.2回转跟管成孔

采用SPC-300S 型水文地质钻机，配备护壁钢管作为砂层护壁套管。

（1）土层施工：

首先采用钻机带空心钻头或螺旋钻具回转钻进成孔。

（2）砂层施工：

进入沙层时，下沉套管，边下沉套管边加水平压，然后在套管内回转钻进抽

砂成孔，到达套管底部时，又增加一节套管，连接后继续下沉，再在管内钻进抽砂。直到设计孔深终孔。

（3）其他滤料回填、起拔套管、洗井方法与振动成孔方案基本一致，这里不再祥述

5.3冲击跟管成孔

采用钢丝绳冲击钻机，对上部土层冲击成孔，孔径φ460mm，先在指定的井

口位置挖掘一个孔，规格：φ460mm，深度：2米。注入水，用冲击钻头冲击；

直到冲击钻头给进困难时，提出冲击钻头，用抽筒捞渣；往孔内注水，使用冲击

钻头冲击，捞渣，依次循环，使孔深逐渐增加。

采用钢丝绳冲击钻孔施工工艺成孔，地层适应性强，遇粘土层/砂层/砂砾石/

卵石层施工方法不变，只需根据不同地层的成孔情况，遇到砂层时，先沉管后造孔，遇到砾石层和卵石层时先造孔后沉管，改变每次沉管的深度即可.

当遇到沙层时下设护壁套管（φ460mm），首先下设一根长套管，再在管内

钻进、抽砂。当孔深到达套管底部时，再在长套管上面焊接短套管，把套管打入

砂层，再在套管内钻进、抽砂。再加套管，再钻进抽砂，直到设计孔深。

遇到砾石层和卵石层时先造孔后沉管，改变每次沉管的深度即可，孔深到达

套管底部时，再在长套管上面焊接短套管，把套管打入砂层，再在套管内钻进、

抽砂。再钻进抽砂，再下套管，直到设计孔深。

套管长度根据需要可加工成1.5、2、3、6m不等；根据孔深确定使用套管的

根数。

使用钻机卷扬钢丝绳吊运、下设套管。套管焊接时，两钢套管要连接紧密，

同心，对正，并用水平尺校正。在钻进和抽砂过程中，要经常往孔内注水平压。

特殊情况处理：如果遇到砾石层失水过多的情况，尽可能的将护筒深埋，在

孔内结合护筒增加水力在地下水层内形成水头，保持孔内水位达到施工要求六施工方案优化设计选择

6.1.施工工艺的优化选择

1）从施工工艺上来看，三种施工工艺都可以满足施工要求。但是德国监理不许用膨润土护壁施工，而如果不使用泥浆护壁，只采用护筒护壁来看，振动成孔

是利用振动锤产生的垂直定向振动和锤、桩管自重等对桩管施加压力，这种工艺

非常适合土质疏松、地质状况比较复杂的地区，也更节省材料。回转跟管成孔，

是回转钻进成孔，成孔后极易塌孔，也容易埋钻。冲击钻跟管成孔则是用冲击式

钻机悬吊冲击钻头（又称冲锤）上下往复冲击，将土或砂层或岩层破碎成孔，部

分碎渣和泥浆挤入孔壁中，大部分成为泥渣，用淘渣筒掏出成孔，冲击钻成孔的

特点是：设备构造简单，适用范围广，操作方便，所成孔壁较坚实、稳定，塌孔少，不受施工场地限制，无噪声和振动影响等。就此地层条件和监理要求来说，

冲击跟管成孔方案更适合本项目。

2）从施工设备来看，振动成孔需要采用JZL-90A多功能钻机，回转跟管钻孔

要采用SPC-300S 型水文地质钻机，这两种设备都要从国内进行第二次进场，或是

租赁其他当地公司设备，将会增加施工成本。而冲击钻机在前期防渗墙施工中也

有良好的表现，设备参数完全满足该地层施工，选择冲击钻进行冲击跟管施工，

更环保经济。

3）从施工工期来看，无论是三种工艺的哪一种施工工艺，都可以满足工期要求。单孔成孔周期都在1.5~3天左右，不存在明显的优劣性。

综上，从施工工艺，施工设备，施工工期三点结合来看，选择冲击钻沉管成

孔是本项目比较合适的施工方案。

6.2.经济可行性优化选择

在本项目施工中可以提前把施工的施工经济可行性划分成三种指标来进行对

比分析，即消耗指标，效益指标，技术经济指标，从而来对比分析施工中的施工

成本，进行经济可行性的优化选择

1）消耗指标：包括劳动力消耗，资金消耗，物资消耗，设备消耗等方面。从减压井这一施工项目中，所需要的人员，材料，机器设备的施工成本来看，如果

选择用振动成孔或者回转跟管成孔，要么从国内运往设备，或分包给当地分包商，施工人员将会在原有基础上增加，材料消耗增加，设备施工成本付出更高，且考

虑到其它方面产生的消耗和工程量产生的产值对比，施工成本相对过高。而如果