莱芜大冶水库帷幕灌浆孔孔斜成因与处理

莱芜大冶水库帷幕灌浆孔孔斜成因与处理提要：岩溶地区地质条件复杂，特别是岩溶强烈发育的地区，坝基的透水性较强，必须采取有效的防渗措施，才能很好的预防和防止由于坝基渗漏而可能出现的渗透变形和蓄水后库水大量的渗漏损失。帷幕灌浆是目前坝基基岩防渗比较成熟一种施工工艺，控制钻孔垂直度往往是满足灌浆成功和设计要求的重要施工工艺环节之一。本文结合莱芜大冶水库坝基帷幕灌浆施工，介绍了对该岩溶地区帷幕灌浆施工过程中探索分析造成孔斜机制和控制与处理的办法，并在实际的工作中进行进行了大胆的实践和尝试。关键词：钻孔方向孔斜成因孔内事故钻进效率钻孔质量连续帷幕工程概况大冶水库位于莱芜市莱城区口镇大冶村北，牟汶河支流方下河上，流域面积为163平方公里，总库容5244万m3。是一座以防洪为主，兼顾灌溉、供水、养殖等综合利用的中型水库，水库兴建于1958年3月，同年7月建成。主坝坐落于奥陶系纸坊庄组石灰岩，大坝现状存在绕坝渗漏和坝基渗漏的渗流安全隐患，工程设计要求对该坝坝基进行帷幕灌浆除险加固处理。坝基主要由第四系松散堆积层和奥陶系纸坊庄组石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩组成。特别是南副坝岩石喀斯特发育，形成溶沟、溶槽，其下喀斯特发育不均。喀斯特沿裂隙发育，有充填性和非充填性两种，岩溶和溶隙为主要透水通道，透水性强，根据前人勘探资料揭示最大透水率可达465Lu。本次施工孔深由南到北在23米~57米。在先导孔和试验段的施工中，出现多次孔斜事故。为此，在全面展开施工前，对于在施工过程中出现的孔斜问题进行了全面分析和处理，在总结了和制定了相应的措施后，全面施工中的孔斜事故率得到了大大的降低，保证了施工质量，提高了功效。一、造成孔斜的主要原因1、地层岩性的客观原因莱芜大冶水库坝基主要座落在奥陶系纸坊庒组石灰岩上。由于地质构造原因造成该岩层喀斯特现象发育。下覆基岩中充填性、非充填性溶洞和破碎带较多。大部分布在孔深16~22米和40~47米处。由于以上孔段溶蚀溶洞发育，破碎严重，局部的充填性孔洞最大直径可达1.5米以上，且形状不规则，钻进方向不易被控制；此外，破碎层往往是软硬共存，钻头在压力下容易改变方向造成孔斜。在地质条件方面，集中表现在钻孔内岩石的力学性质上，主要为：1、1钻进松散覆盖层时，覆盖层越厚，越容易改变钻孔的方向。其主要原因是覆盖层具有较强的活动性，钻出的钻孔孔径较大时，势必对粗径钻具不能形成强有力的控制，因而不能保证钻进方向的一致性；1、2在有一定倾角的、软硬交替的岩石中钻进，由于钻头在同一接触面上有软硬不同的岩层，因此，可钻性不同的岩层会产生不同的钻进速度，从而改变钻头的钻进方向；1、3在厚度大、破碎较严重的岩层中钻进，其钻孔孔径也较大，粗径钻具在钻进方向上不容易被控制。此外，破碎岩层往往是软硬岩层共存，因此，钻头容易改变方向；1、4砂卵石层中钻进，钻孔最容易偏斜。因为砾石的圆滑对钻头产生偏滑作用，形成不均衡的阻力，易改变钻头前进的方向；1、5在遇到溶蚀孔洞、大断裂带或老空洞等情况时，亦会产生钻孔的偏斜。2、技术条件不相适宜因采用与实际不相宜的技术措施造成的钻孔偏斜，主要表现为：2、1在开孔钻进或浅孔阶段的钻进中，钻机立轴与钻孔不在同一条中心线上，这会直接影响钻孔偏斜；使用过高的立轴钻杆与磨损较严重的立轴钻杆定向套管，容易使立轴产生较大的摆动，直接影响到钻头在孔底钻进时的不稳定性；帷幕深孔一般都要安装孔口管，如果孔口管不正，也会直接影响到开孔钻进时的方向；2.2使用了弯曲的钻具或过短的岩心管。岩心管、钻杆等的弯曲，都会使钻具连接后不正，从而影响钻进的方向。使用过短的岩心管，在孔内歪斜时，比长岩心管的歪斜度更大，产生的孔斜度也更为严重；2、3在由大孔径换小孔径或扩孔钻进过程中，因为孔壁各部硬度不一，孔径大小也不一致，换径后的钻头很难保持在与原孔中心线一致的方向向下钻进；2、4孔径越大，受压钻杆产生的弯曲、拉伸、扭曲也会增大，使钻头在孔底钻进时不稳定性增强，从而使钻进方向发生变化；2、5金刚石钻头胎体硬度不一致与金刚石颗粒分布不均一，或硬质合金钻头底出刃尺寸不同，也会直接影响到钻进方向的改变。3、操作方法不当操作方法的不当往往是产生钻孔偏斜的直接原因。3、1钻进时过大的加压，使钻杆产生多段处的严重弯曲，特别是在不利的地质条件下，对产生钻孔偏斜的影响会更大；3、2使用磨损过钝的金刚石或硬质合金钻头钻进，会因在金刚石颗粒或合金粒向岩石内切入不稳定的情况下，容易改变钻头的钻进方向；3、3在松散易坍塌的岩层中钻进，冲洗液的排量过大，压力过高，特别是使用粘度很小的泥浆或清水作冲洗液时，会较严重地破坏孔壁，造成孔内某一局部的坍塌，使孔径扩大。由此不易控制钻杆过大的弯曲，致使粗径钻具容易产生偏斜。二、孔斜对产生孔内事故的影响钻孔一旦发生较严重的孔斜，将会给钻孔施工过程带来很多难题。严重的孔斜，不仅会加剧孔内事故的发生，而且会增加已发事故处理的复杂性。1、孔斜会加剧孔壁坍塌、掉块、岩层错动等地质因素所易造成的孔内埋钻、卡钻挤夹等事故在松软、破碎的岩层中钻孔，不采取有效的护壁措施，就有可能产生孔壁坍塌，造成钻具的埋挤、陷埋事故；在地质构造复杂的地层中钻进，当遭遇到局部地层结构不坚固、不完整时，会因岩层自身牢固性不够，钻杆在孔内回转碰打，冲洗液冲刷破坏，使其部分岩石破裂而掉入孔内，造成钻具的挤夹，给钻具的提升或下降带来困难；在节理多、倾角大、破碎多等容易活动的岩层内钻孔，往往会发生成批的岩石块（孔壁岩石）向孔内滑动，使钻孔变形，产生因岩层部分错动的卡钻挤夹事故。如果钻孔在上述部位发生了较为严重的偏斜，会很容易产生孔壁坍塌、掉块、岩层错动，使原有地层的活动性增加，稳定性减弱，影响范围也相应扩大，使孔内埋钻、卡钻、挤夹事故发生的频率增加。2、钻孔的严重偏斜，使高速回转的钻具在孔壁岩石的磨擦作用下，磨损相当严重。钻具在孔内回转时，会因钻孔较大偏斜产生很大阻力，而此阻力又集中表现在孔内的弯曲接触上。因此，也就使钻具折断的机率增加。3、在偏斜度较大的钻孔内，发生钻具折断事故后会影响事故的正常处理，增加其处理的复杂性，钻杆折断以后，其下部的断头会因孔斜而深藏在大孔径段内，使打捞矢锥不易对上断头；如果钻孔方位的偏斜变化较为复杂，尽管孔壁是完整的，打捞矢锥也不易碰上断头；假如钻孔方位的偏斜无多大变化，也会因孔斜度较大，打捞矢锥与钻杆断头不容易端正的接触。在上述情况下，往往不得不改变打捞方法，也就相应地增加了打捞时的复杂性。三、孔斜对钻进效率的影响钻孔产生较严重的偏斜，会使钻进效率大大降低，集中表现在下面3个方面：1、钻孔偏斜会使钻杆在孔内随之发生弯曲，这样，当回转动力由立轴钻杆向钻头传递时，会使钻头的回转非常不稳定，造成钻头的磨损，降低钻进的效率，钻进进尺也会因此而受到不同程度的影响；2、钻孔偏斜使钻具与孔壁之间的摩擦力增大，这样，钻孔的轴心压力不能按需要全部作用到钻头上，从而影响进尺。如果过分增加压力，就容易造成钻具折断；3、由于钻孔偏斜比较严重，不能使用快速钻进的方式钻孔。因此，快速钻进容易导致钻具折断。由此可见，孔斜对钻进效率的影响体现在进尺的快慢上，因钻孔偏斜致使钻具折断事故的增多，势必需要浪费大量时间用于孔内事故的处理，使单位进尺减少，效率降低。同时，钻孔偏斜造成的钻具磨损，使钻具使用寿命降低，单位进尺的材料消（损）耗量增加，造价提高，相应地降低了钻具的钻进效率。在帷幕灌浆中，钻孔的费用和工时一般占1/3~1/2以上，因此设法提高钻进效率，具有十分重要意义。四、孔斜对钻孔质量的影响1、钻孔地质资料的准确性受怀疑在进行灌浆孔特别是帷幕灌浆深孔的钻进中，要求对岩层岩性以及孔内各种情况进行详细记录，便于在研究灌浆资料时分析灌浆质量，了解不同岩层的可灌性，分析防渗帷幕的效果。但钻孔偏斜后使所要了解的地质资料不准确，表现在以下3方面：1、1对岩层或构造带的空间位置、厚度、结构的分析有直接影响。一般在进行深孔帷幕灌浆施工之前都要选取一部分Ⅰ序孔，将其作为先导孔施工，以便进一步查明地质勘探资料的正确性，了解岩层及构造带的分布状况，将其灌浆成果资料用于指导后期各序孔的灌浆施工。但有孔斜以后，对岩层及构造带产生因孔斜所造成的假厚度，改变了施工目的和要求，使所要了解的内容变得模糊，在根据各先导孔地质资料进行岩层对比及灌浆分段等方面都会发生困难；1、2钻孔产生偏斜会破坏灌浆孔间的合理孔距。因此，会产生部分无效进尺，甚至只有采取补孔的办法来弥补因孔斜带来的负面影响。有时，因钻孔偏斜太大及其偏斜方向巧合，钻孔的下部会钻至临近孔中或穿过临近钻孔，使钻孔下部的进尺无效。再进行补孔时，无疑会造成很大浪费；1、3钻孔偏斜后，钻头在孔内的回转不稳定，致使采取到的岩心很细，甚至保存不住岩心，严重地影响岩心的采取率。2、灌浆施工因孔斜而不能正常进行有了良好的灌浆孔，才能实行良好的灌浆。钻孔偏斜必然会使灌浆孔的孔壁不圆和不平整，给安设栓塞造成困难。帷幕灌浆一般采用孔口封闭器的方式灌注，大多数将钻杆作为射浆管用，因有钻孔孔壁的弯曲，钻杆在孔内也呈弯曲状态，在灌浆特别是灌注浓浆时，很容易发生“固死”钻杆的现象，从而影响灌浆的顺利进行。五、孔斜对灌浆质量的影响孔斜所造成的灌浆孔孔距的变化使相邻孔的有效充填范围彼此衔接不起来，从而使灌浆帷幕不能达到规定的防渗标准，灌浆质量受到影响。浆液在岩石缝隙中的扩散范围受灌浆压力、浆液性质、岩缝发育特征及施工工艺等因素的影响。同一性质的浆液在不同压力、不同地质条件下，扩散充填的范围差异性很大。灌浆孔距的确定，过去应用最多的是凭经验判断，现在一般是在现场作灌浆试验。经过试验后确定的孔距相对于某一坝址地质状况来说是较为合理的，它的最主要的特点是，使相邻灌浆孔浆液的充填范围能彼此衔接，而且到最后既不会遗留下能导致透水性超过标准的大裂缝，又不使搭接重叠的部分太少，以能形成一个具有一定防渗标准的“连续帷幕”，又使钻孔量最少。但钻孔产生偏斜后，无疑会破坏相邻钻孔间浆液充填时的这种“衔接”关系，灌浆不能达到预期目的。六、孔斜的预防与处理措施控制钻孔钻进方向，使之不发生严重偏斜是一项很复杂的技术工作。采取何种技术措施防止钻孔偏斜或钻孔产生严重偏斜后如何处理，都必须将影响钻孔偏斜的3方面因素结合起来全面加以考虑。1、预防孔斜的措施1、1钻机的安装要水平牢固，立轴中心与钻孔中心应在同一条垂直线上，并按要求的孔向对准孔位开孔，以使钻进中不摆不晃；1、2孔口管必须牢固并满足要求，在开孔钻进与浅孔阶段钻进中，立轴钻杆不能太长，否则钻进时摆动性大，致使立轴转动不稳，造成钻具摆动性增大；1、3使用符合规格的各种钻孔器具，并随时检查，如发现有弯曲的钻具或有磨损较严重的立轴导管时，应及时更换。在浅孔钻进阶段，一般情况下，使用的岩心管长度较大一些为宜；1、4孔较深以后，即开始需要从地面减压钻进时，特别要注意钻压的调整，同时要注意提升吊环必须与立轴及钻孔中心线在一条直线上；1、5钻进中，当岩石换层时，不论是由软变硬还是由硬变软，或者是由完整变破碎，破碎变完整等情况，均应减压减速钻进，对其进尺的速度和冲洗液的流量及压力也应加以适当的控制；1、6钻进中，应勤检查钻机有无移动，立轴钻进的方向有无变化，发现问题应及时纠正；1、7为防止孔斜发生，必须熟悉所使用机械性能和钻孔方法的特点，经常研究，总结经验。在深孔帷幕的钻孔中，应对孔斜及时测量，及时准确地掌握钻孔的偏斜情况，以利于及时处理。2、孔斜的处理措施2、1扩孔纠偏法此种方法适合于浅孔阶段中（一般不超过10m）钻孔已偏斜严重的情况。采取加长粗径钻具，并使用比原钻具直径至少大一级的钻具，从孔口或从孔口管底部位置扩下去。可以扩大处理符合要求的钻孔，矫正钻孔的方向，防止在继续钻进中该孔偏斜严重发展的情况出现。2.2短钻具法在松软岩层或厚度大的覆盖层中钻进时，当钻孔产生一定偏斜后，可利用较短的粗径钻具进行矫正。因为在上述地质条件下钻孔，孔径一般比较大，而短钻具在较大孔径内较易改变方向。主要通过用轻压力慢转速的操作方法，钻具会因自重垂向钻进。使用的岩心管长度一般可为1~1.5m，钻进3