大岗山水电站深孔帷幕灌浆孔钻柱力学分析及钻孔弯曲机理研究

摘要

进入21世纪后，为加快利用富饶的水能资源，较好满足与日俱增的刚性能源需求，国家正在建设一个个水利水电工程。大量的水利水电工程基本都会采用帷幕灌浆进行大坝基础处理，帷幕灌浆已成为大坝基岩防渗处理的一项常规工程措施。帷幕灌浆孔钻孔质量的优劣将直接影响防渗帷幕的形成，影响大坝是否能够正常蓄水、按期投入使用，甚至影响大坝的安全运行。
　　大量的生产实践和研究表明，在帷幕灌浆孔钻孔工作中，灌浆孔弯曲是普遍存在的。由于设备制约和灌浆平洞施工环境的局限性，水电工程灌浆孔偏斜较难控制，加之大型水利水电工程的出现，需进行帷幕灌浆钻孔的区域增多、钻孔深度增加、钻孔精度、钻孔偏斜量要求提高，其钻孔质量极难保证。灌浆孔弯曲常导致帷幕钻孔辅助工作量增加、施工周期延长、工程投资增加、经济社会效益降低等问题。因此，如何在施工环境、施工设备受到约束的现有条件下，通过有针对性的分析研究，进行相应防斜方案设计，提出相关防斜技术措施，指导帷幕灌浆钻孔施工工作显得尤为重要。
　　在建的大岗山水电站，其帷幕灌浆设计工程量约为15万m，拱坝对基础的防渗性能要求高，钻孔工作量大，作业平硐多，相互交叉影响大，本文从该水电站灌浆工区具体地质条件入手，对钻具管柱运动状况、受力状态、载荷种类进行了分析，并对钻具管柱进行静力学分析计算，得出轴力、扭矩公式。利用能量学基本原理对钻具管柱进行应力、变形分析及稳定性研究，推导出管柱半波长挠度公式、管柱弯曲方程及管柱变形临界荷载;根据纵横弯曲理论提出与实际钻进相似的假设，进行钻头边界效应研究，利用权余法推导出钻具管柱的轴向力、钻头处孔斜力公式及钻具管柱与孔壁接触点判断方程;得出钻压（轴向力）对钻具管柱的应力、变形、弯曲形态等有重要影响，是提供偏倒力，引起钻孔弯曲的主要因素。
　　本文对各种载荷下平底圆柱压头、球形压头、圆柱体侧面压入、轴向力和切向力共同作用下的岩石应力状态进行分析研究;对钻进花岗岩、辉绿岩，分阶段进行孔底碎岩过程分析，揭示了其孔底碎岩机理，得出在不同性质的荷载作用下，碎岩所需能量均成越阶式单减变化，除此之外，还得出静荷载碎岩的能量较动荷载碎岩的能量低。
　　针对大岗山帷幕灌浆孔弯曲情况，建立不同灌浆孔弯曲分析模型，进行相应数值分析，从微观上解释了非均匀应力产生的孔底反力在各方向上存在数值差异，导致钻头偏转，致使钻进偏斜，进而出现灌浆孔弯曲的原因。分析研究同时表明，应力因素、钻具震荡等会导致孔壁间隙增加，加剧钻孔弯曲偏斜;孔壁间隙是一个引起钻孔弯曲的重要因素，在进行帷幕灌浆孔钻孔施工过程中，应对孔壁间隙引起足够重视，并进行相应控制。
　　根据本文的分析研究成果，进而设计出三扶正器防斜钻具（组合）方案和绳索取心防斜技术方案，提出相关操作规程，实现该水电帷幕灌浆工程的快速、可靠、大规模地钻进成孔。为本项目创造了良好的社会和经济效益，并为类似水电帷幕灌浆工程提供宝贵的防斜借鉴经验。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外钻柱力学及钻孔弯曲研究现状

1．2．2 国内钻柱力学及钻孔弯曲研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究技术路线

1．4 预期目标

第2章 深孔帷幕灌浆孔钻柱力学及钻孔弯曲分析重难点

2．1 分析技术难度大

2．2 可借鉴工程经验少

2．3 孔斜设计要求高

2．4 工作环境局限性大

2．5 地层造斜力强

第3章 深孔帷幕灌浆孔钻柱力学分析

3．1 钻柱运动及受力

3．1．1 钻柱运动状况分析

3．1．2 钻柱受力分析

3．2 能量力学分析

3．2．1 能量学基本原理

3．2．2 钻柱应力、变形分析

3．2．3 钻柱稳定性分析

3．3 钻柱纵横弯曲研究

3．3．1 钻头边界效应研究

3．3．2 钻柱轴向力计算

3．3．3 钻头处孔斜力计算

3．3．4 灌浆孔内钻柱接触点判断

3．4 本章小结

第4章 深孔帷幕灌浆孔钻孔弯曲机理研究

4．1 深孔帷幕灌浆孔钻孔弯曲原因

4．1．1 深孔帷幕灌浆区地质条件复杂

4．1．2 深孔帷幕灌浆孔钻孔操作工艺技术难

4．2 深孔帷幕灌浆孔弯曲条件

4．2．1 孔壁间隙

4．2．2 偏倒力或弯曲力

4．2．3 粗径钻具倾斜面方向稳定

4．3 深孔帷幕灌浆孔孔底碎岩研究

4．3．1 孔底岩石破碎

4．3．2 静载下岩石应力状态

4．3．3 动载下岩石应力状态

4．3．4 孔底碎岩机理研究

4．4 深孔帷幕灌浆孔弯曲过程

4．5 深孔帷幕灌浆孔弯曲数值模拟

4．5．1 ANSYS简述

4．5．2 深孔灌浆孔钻孔弯曲分析模型

4．5．3 数值模拟成果分析

4．6 本章小结

第5章 深孔帷幕灌浆孔钻孔防斜方案设计

5．1 钻压影响

5．2 灌浆孔设计顶角影响

5．3 孔壁间隙影响

5．4 扶正器与钻头距离影响

5．5 钻孔防斜方案

5．6 本章小结

结论及建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果