大坝深孔帷幕灌浆孔斜形成原因与处理方法的探

发布时间：2022-10-05 10:10 热度：

大坝深孔帷幕灌浆孔斜形成原因与处理方法的探究

焦 剑

摘要：在大坝除险加固深孔帷幕灌浆施工中，钻孔的偏斜度控制十分重要，直接影响着工程的施工质量。本文主要探讨孔斜形成原因，并研究介绍如何孔斜预防和处理措施。

关键词： 大坝 灌浆 孔斜 处理措施

　　一、前言?

　　深孔帷幕灌浆质量对保证大坝的安全至关重要的。但由于各方面原因，实际施工钻孔的方向与设计方向往往不会完全一致，都会产生一些偏斜。如果钻孔产生的偏斜度很小，其影响是不大的；但如偏斜度严重，不仅对钻进质量、事故发生率、钻进效率等方面会产生不良的影响，而且会最终严重影响到防渗效果，使灌浆质量达不到要求，还需进行补充灌浆，导致帷幕的造价增加。因此，施工前需对孔斜从发生到处理等一系列技术问题都应认真加以研究掌握，以便保证在深孔帷幕灌浆中将孔斜控制在设计和施工规程要求的容许偏差值内。下面就结合实际工程施工经验，探讨深孔帷幕灌浆孔斜成因及其防治措施。?

　 二、孔斜成因分析?

　　钻孔中产生孔斜的原因较多，主客观因素主要有：地质条件不好、技术条件不适宜、操作方法不当等3个方面。?

　　1、 地质条件不好：主要为以下几方面：

（1）钻孔点有松散覆盖层。钻孔时，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，对粗径钻具不能形成强有力的约束，因而不能保证钻进方向的一致性；

　 （2）钻孔点有一定倾角的、软硬交替的岩石。钻进时，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；

（3）钻孔点在厚度大、破碎较严重的岩层中。钻进时，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；?　　

（4）钻孔点在砂卵石层中。钻进时，钻孔最容易偏斜。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；?　（5）钻孔点在遇到溶蚀孔洞、大断裂带或老空洞等地质复杂情况时，亦会产生钻孔的偏斜。

　　2、技术条件不适宜?

　　采用技术措施与实际情况不相宜造成的钻孔偏斜，主要表现为：?

　　（1）在开孔钻进或浅孔钻进阶段时，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；使用的立轴钻杆过高与立轴钻杆定向套管的磨损较严重，容易使立轴产生较大的摆动，直接导致钻头在孔底钻进时的不稳定；帷幕深孔一般都要安装孔口管，如果孔口管安装不正，也会直接影响到开孔钻进时的方向；?

　　（2）钻具或岩心管选用不当，使用了弯曲的钻杆或岩心管过短的，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；?

　　（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；?

　　（4）孔径越大时受压钻杆易产生的较大弯曲、拉伸、扭曲，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；?

　　（5）钻头的质量也会产生影响，如金刚石钻头胎体硬度不一致或金刚石颗粒分布不均一、或硬质合金钻头底出刃尺寸不同，都会直接影响到钻进方向的改变。

　 3、操作方法不当?

　　工作人员操作方法的不当也是产生钻孔偏斜的直接原因。?

　　（1）钻进时加压过大，使钻杆产生多段处的严重弯曲；?

　　（2）使用磨损过钝的金刚石或硬质合金钻头钻进，会因金刚石颗粒或合金粒向岩石内切入的不稳定，容易改变钻头的钻进方向；?

　　（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，造成孔内局部坍塌，使孔径扩大。

　三、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困难。严重的孔斜，会增加孔内事故发生的可能性，也会加大对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，产生因岩层错动而引起卡钻挤夹事故。?

　2、钻具折断事故的机率增加?

　　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。

四、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，集中表现在以下三个方面：?

　　（1）钻孔偏斜会使钻杆在孔内随之发生弯曲，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。?

　　（2）钻孔偏斜使钻具与孔壁之间的摩擦力增大，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。如过分增加压力，就很容易造成钻具折断。?

　　（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。?

　　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，使钻进速度减慢，钻孔效率降低。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。?

　　五、孔斜对钻孔质量的影响?

　　1、 钻孔地质资料的准确性受怀疑?

在进行灌浆孔钻进时，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。但钻孔偏斜后会使所要了解的地质资料不准确，表现在以下三方面：?　　

（1）会对岩层或构造带的空间位置、厚度、结构的分析有直接影响。在进行深孔帷幕灌浆施工之前都要选取一部分孔，作为先导孔施工，以便进一步查明地质勘探资料的准确性，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。但如有孔斜，则会对岩层及构造带产生因孔斜所造成的假厚度，使所要了解的内容变得不准确，各先导孔地质资料进行岩层对比及灌浆分段时都会发生困难。

　　（2）钻孔产生偏斜会破坏灌浆孔间的合理孔距。会产生一些无效进尺，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，导致钻孔下部的进尺无效，引起需要补孔，将造成很大浪费。?　（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?

　　良好的灌浆孔，才能实行良好的灌浆，最终保证灌浆质量。钻孔偏斜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，很容易发生钻杆堵塞，从而影响灌浆的顺利进行。?

　 六、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连接不起来，使灌浆帷幕不能达到设计规定的防渗标准，灌浆质量受到一定影响。

浆液在岩石缝隙中的扩散范围受到灌浆压力、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，一般是在现场作灌浆试验。经过试验后确定适用具体地质状况的合理孔距，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，既不会遗留下透水性超过标准的大裂缝，又不使搭接重叠的部分太少，形成一个具有一定防渗标准的“连续帷幕”，又使钻孔量最少，节约投资。如果钻孔产生偏斜后，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。

　 七、孔斜的预防与处理措施?

　　如何控制钻孔钻进方向，保证不发生严重的钻孔偏斜，这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，必须将影响钻孔偏斜的三方面因素结合起来全面加以综合考虑。?

　　1、 预防孔斜的措施?

　　（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，钻进中机身和钻杆不能摇晃摆动。

　　（2）孔口管要牢固满足各项要求，在开孔钻进与浅孔阶段钻进中，立轴钻杆不宜太长，否则钻进时摆动性大，会使立轴转动不稳，造成钻具摆动性增。

　　（3）保证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，使用的岩心管长度较大为宜。

　　（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保持在一条直线上。?

　　（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。

　　（6）钻进中，应经常注意检查钻机有无移动，立轴钻进的方向有无变化，发现问题应及时纠正。

　　（7）为防止孔斜发生，必须熟悉所使用钻机的机械性能和不同地质情况的钻孔方法，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?

　 （1）扩孔纠偏法?

　　此种方法适合于浅孔阶段中（一般不超过10 m）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）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。因为在此种地质条件下钻孔，孔径一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，使用的岩心管长度较大为宜。

　　（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保持在一条直线上。?

　　（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。

　　（6）钻进中，应经常注意检查钻机有无移动，立轴钻进的方向有无变化，发现问题应及时纠正。

　　（7）为防止孔斜发生，必须熟悉所使用钻机的机械性能和不同地质情况的钻孔方法，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?

　 （1）扩孔纠偏法?

　　此种方法适合于浅孔阶段中（一般不超过10 m）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）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。因为在此种地质条件下钻孔，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为1-1.5 m，钻进3-5 m后进行钻孔测斜。如果孔斜度已减少，则可使用正常钻具钻进；如果没有矫正过来，则可加长粗径钻具，从开始矫正位置扫孔后，即或按原孔斜度钻进。

　　（3）换径法?

　　换径法主要是用比原正常钻进用的粗径钻具小一级或二级直径且长度短于1.5 m的粗径钻具钻进。因为短细的粗径钻具可在较大的孔径内成接近于垂直状态。?

　　在进行矫正前，先把孔内岩心取净。钻进时要轻压慢速控制进尺。钻进3-5 m后进行测斜。如果孔斜没有减少，可用原正常钻具扩下去，待条件成熟后再进行矫正。如果新孔孔斜度有所减少，可换用带有导向装置的钻具进行扩孔，扩完后换用正常钻具钻进。在容许的情况下，也可用换径的钻具加长后钻进，直至终孔。?

　　（4）控制法?

　　控制法主要是在使用其它矫正方法时有很大困难时，或还有不多的距离就抵达终孔的情况下应用。这一方法的主要措施是加长粗径钻具。一般情况下，加长后的粗径钻具不小于原钻具的2倍，加长粗径钻具后，无疑会增大孔壁对整个粗径钻具按原方向继续钻进的控制力，使原有的孔斜度不再继续扩大，但在操作方法上要严格注意。

　　（5）扫孔法?

　　扫孔法是在某一灌浆段钻孔结束时进行孔斜测量，发现偏斜值超过允许值时，先不进行纠偏处理，按正常程序继续进行灌浆，当接近灌浆结束标准时，用比例为0.5（或0.6）∶1的浓浆（可加适量的速凝剂）置换出孔内稀浆，并待凝24-48 h后再扫孔，扫孔时注意控制钻压并随时检测孔斜，可使已偏斜的钻孔段得到有效的纠正。但此种办法耗时较长，一般在上述几种方法处理无效的情况下采用。?

　　（6）补孔法?

　　补孔法有两种情况：?

　　（1）在灌浆施工中，当发现钻孔偏斜严重时，为防止严重的孔斜对灌浆质量产生影响，可在该孔附近补钻新的灌浆孔，一般与原灌浆孔的距离应不大于50 cm，但补钻灌浆孔前应封填好原偏斜灌浆孔。此种情况适用于浅孔阶段中就严重偏斜且在采取多种矫正方法均无效的灌浆孔。补钻新的灌浆孔后在与原偏斜孔相对应的孔深位置以上的各灌浆段一般可不再灌浆；

　　（2）在灌浆施工结束对施工质量进行检查验收时，通常的方法是采用打质量（效果）检查孔。检查孔位置的选定，既要考虑到有代表性和普遍性，又要照顾到薄弱环节。这时，可结合对灌浆施工资料的综合分析，在因孔斜可能使灌浆不足的地方布置检查孔，使其得到一次补强的机会，因为检查孔也要灌浆。同时，通过检查孔的压水试验，也能获知因孔斜对灌浆质量的影响程度。?

　 八、保证钻孔方向的重要性?

要保证很深的帷幕灌浆孔不发生偏斜，是比较难控制的。虽然结合地质条件采取多种技术措施和操作方法，依然很难控制钻孔不发生偏斜。如果用加强测斜等方法来加强控制，势必要增加工作量，使施工单位难以承受。另外，一旦发现偏斜，要采取纠偏，不但费时，而且不易成功。因此，对于解决偏斜问题，不仅要从施工方面入手，而且要从设计方面着手，建议从以下几方面考虑：?

1、合理降低深层的要求标准，放宽容许偏差值。规范规定了垂直或顶角不小于5°的帷幕灌浆孔其孔底的容许偏差值。但当孔深大于60 m时，孔底最大容许偏差值除了应根据工程实际情况并考虑帷幕排数等具体情况确定外，还应结合当地地质条件下浆液扩散半径和该孔下部岩层的透水性能来分析比较后确定。?

　　2、增加帷幕的排数。在地质条件不良、钻孔偏斜的情况下，可考虑在局部地方增加帷幕的排数，以防止孔斜对灌浆质量产生不良影响。?　3、适当提高灌浆压力。在深孔阶段钻孔发生了稍大一些的偏斜（但未超过规定标准），采用较高压力灌浆，增大浆液的扩散范围，弥补因钻孔偏斜造成灌浆范围的不足。

　　九、结束语

大坝除险加固深孔帷幕灌浆施工中，由于客观条件的改变，每次灌浆钻孔施工的方法和工艺控制都不会完全相同，不应把预先制定的工艺和设计方案看成不可改变的，而是应在实际施工操作中，不断根据实际地层等情况，调整施工工艺流程，最大程度地保证灌浆孔不发生偏斜，力求选择一种既安全可靠，又经济合理的施工方法。