钻孔压水试验水压式栓塞排水泄压问题研究.pdf

第 4 3卷第 3期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 6年 3月 E x p l o r a t i o n E n g i n e e ri n g( R o c k& S o i l D ri l l i n g a n d T u n n e l i n g ) Vo 1 4 3 N o 3 Ma r 2 0 1 6： 5 65 9 钻孔压水试验水压式栓塞排水泄压问题研究 裴 熊伟 ( 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司， 贵州 贵阳5 5 0 0 8 1 ) 摘要： 压水试验水压式栓塞较其他类型栓塞可靠、 灵活， 但一直存在试验结束后排水泄压难题 ， 使该类型栓塞使用 局限于浅孔及地下水位高的钻孔。本文对该问题进行了研究， 提出了解决方案 ， 设计了新型水压式栓塞结构。解 决了一直以来水压式栓塞的排水泄压难题 ， 突破了试验孔深限制 ， 使水压式栓塞能得到广泛应用。介绍了该新型 水压式栓塞的结构和工作原理以及工程应用效果。 关键词： 压水试验； 水压式栓塞； 胶囊 ； 泄压排水； 双塞； 水利水电工程 中图分类号： T V1 3 1 6 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 5 6 0 4 Re s e a r c h o n Dr a i n a g e a n d Pr e s s u r e Re l i e f o f Hy d r a u l i c P l u g f o r W a t e r Pr e s s u r e Te s t i n Bo r e h o l e P EI Xi o n g w e i ( C h i n a E l e c t ri c P o w e r G r o u p G u i y a n g S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e C o ，L t d ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 8 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Hy d r a u l i c p l u g f o r w a t e r p r e s s u r e t e s t i s mo r e r e l i a b l e a n d fl e x i b l e t h a n o t h e r t y p e s o f p l u g s ，b u t d i ffi c u l t d r a i n a g e a n d p r e s s u r e r e l i e f a ft e r t h e t e s t h a v e b e e n r e ma i n e d，S O i t s u s a g e i s c o n fi n e d t o s h a l l o w h o l e s o r h o l e s wi t h h i g h wa t e r l e v e l s Th i s p r o bl e m wa s s t ud i e d a n d t he s o l ut i o n wa s p u t f o r wa r dNe w t y pe o f h y d r a u l i c p l u g s t r uc t u r e wa s d e s i g n e d for d r a i n a g e a n d p r e s s u r e r e l i e f o f h y d r a u l i c p l u g，b y w h i c h t h e l i mi t o f h o l e d e p t h i s b r o k e t h r o u g h a n d t h e h y d r a u l i c p l u g c a n b e w i d e l y u s e d T h e p a p e r i n t r o d u c e s t h i s n e w h y d r a u l i c p l u g a b o u t i t s s t ruc t u r e， wo r k i n g p r i n c i p l e a n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n e f f e c t Ke y wor ds：wa t e r pr e s s ur e t e s t ；hy d r a u l i c p l u g；c a p s u l e；dr a i n a g e a n d p r e s s u r e r e l i e f ；do ub l e p l u g；wa t e r c o n s e r v a nc y a n d w a t e r e l e c t r i c i t y p r o j e c t 0 引言 水利水 电工程勘察 中， 钻孔压水试验是最直观 地获取岩体渗透系数的技术手段。其为评价岩体的 渗透特性和设计渗控措施 提供最基本资料 ， 其重要 性不言而喻。 目前水利水 电行业 中， 压水试验设备应用最广 泛的是单管顶压式橡胶栓塞隔水 ， 单管顶压橡胶栓 塞隔水设备机构简单、 易操作， 但在工程实践中存在 几个重要问题 ： ( 1 ) 封隔不理想 ， 尤其是软岩地层或 较破碎地层钻孔孔壁不完整 的情况下 ， 由于橡胶塞 变形有限 ， 易 出现封 隔不严 、 漏 水 的情况 ； ( 2 ) 易 出 现孑 L 内事故 ， 如钻孔深 ， 钻杆过重 ， 操作不 当易出现 橡胶塞过度变形造成卡死在孔 内， 处理不易 ； ( 3 ) 对 破碎地层压水后， 出现掉块现象， 栓塞容易被卡死。 压水试验规范里建议优先采用水压式或气压式 栓塞 。 为了解决上述问题， 2 0 世纪 6 0年代初 ， 前辈们 就提 出了液压式栓塞压水 ， 但水压式栓塞虽然可以 解决封隔不理想的问题 ， 若在复杂地层使用还存在 一 些缺点， 未能得到广泛使用。 为 了解决胶囊排水泄压 的难题 ， 气压式栓塞应 运而生 。但气压式栓塞存在设备不配套或者成本过 高的问题( 采用气瓶 ) ， 且气体具有较大 的压缩性 ， 需要根据压水试验 时试段 的水压 大小进行气压 调 整 ； 高压气瓶有一定 的安全隐患 ， 操作人员需要 培 训 。气压式栓塞并不实用。 1 液压式栓塞 1 1 结构原理 通过前期工程实践 ， 水压式栓塞胶囊完全能够 满足试验需要 ， 水压式栓塞结构如图 1 所示 。该栓 塞工作步骤如下 。 ( 1 ) 利用经高压检 验的钻杆 ， 将双 栓塞放置到 试验的深度上 ， 转换 开关在双栓塞和花管 自重作用 下处于打开状态 。此时， 地面水泵 、 钻杆 、 转换开关 和双栓塞形成 回路 ， 注入的水只进入双栓塞 ， 当该回 路注满水 时 ， 启 动高压 泵 向双栓 塞 内加 压 51 0 MP a 使其膨胀紧贴于孔壁 ， 即完成止水 ( 见图 1 A) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 1 1 3 ；修回 日期 ： 2 0 1 60 11 7 作者简介： 裴熊伟， 男， 汉族， 1 9 8 6 年生， 从事钻探技术及管理工作 ， 贵州省贵阳市观山湖区兴黔路 1 6 号， 2 9 5 2 4 6 4 5 q q c o n 。 5 8 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 o 1 6年 3月 态 ， 水路畅通。将栓塞放置于试验段需要封隔位置 处 ， 水泵供水 ， 水 经钻 杆、 泄压机构 、 栓 塞 ( 图 1 A状 态 ) 进入胶囊内， 待胶囊充水到达设定压力时 ， 钻杆 下移 ， 此时栓塞转换 开关下移 ， 封 闭胶囊压力水 ， 水 直接进入试验段内， 泄压机构阀块仍处于正常状态。 试验结束后 ， 打 开水泵 回水 阀， 钻孔试 段 内卸 压 ， 试段压力水泄压完成后 ， 提动钻杆 ， 直至钻杆无 法上移 ( 提升力 比钻杆等重力 稍大) 。提动钻杆过 程 中， 栓塞转换开关 上移 ， 钻 杆至钻孑 L 试段 水路关 闭， 胶囊与钻杆通道打开， 但 由于钻杆 内与钻孔环空 水柱压力差大及提动钻杆时间短暂， 胶囊无法完全 排水泄压 ， 栓塞胶囊 由于膨胀变形 ， 仍紧贴于钻孔内 壁 ， 无法上下活动 ， 泄压机构 阀块行程受阻， 进而压 缩弹簧 ， 阀块相对下移 ( 如 图 2 B所示 ) ， 直至阀块处 于下限位 ， 此时钻杆与钻孔环空通道打开 ， 同时胶囊 与钻杆通道 由于堵头堵死处于关 闭状态 ， 钻杆 内水 柱流入钻孔环空内， 压力平衡 ， 此 时稍微放下钻杆 ， 弹簧恢复 ， 堵头移开 ， 胶囊与钻杆通道重新打开 ， 胶 囊 由于 自身弹力恢 复， 排 出胶囊 内压力水 ， 脱离孔 壁 ， 完成排水泄压。 如操作过程 中对上下行程不熟悉 ， 可以反复操 作 ， 直至泄压完成 ， 栓塞脱离孔壁 。 2 3 受力分析 水压式栓塞虽然在部分工程中已投入使用， 但 由于为地下作业不好监测使用情况 ， 对孔 内各部件 受力情况无经验可循 ， 对各部件是否能在压力情况 下工作无从得知 ， 以 9 4 mm钻孔孔径举例进行计 算验证。假设试验段位于孔深 1 0 01 0 5 m段 ， 胶囊 长度大于 8倍孔径 ， 即 8 0 c m， 栓塞充水压力大于最 大试段压力 0 2 0 3 MP a ， 该试验如地表压力表显 示压力 1 MP a ， 则实际试验段压力约为 2 MP a ， 胶囊 充压压力宜为 2 3 MP a 。 通过资料查询 ， 橡胶与湿润混凝土滑动摩擦系 数为 0 4 50 7 5 ， 静摩擦 力要 大于滑 动摩擦 力系 数， 但为试验保守计算， 取胶囊与孑 L 壁一般摩擦系数 为 0 4 5 。 2 3 1 胶囊锚 固力计算 胶囊与孔壁压力 ： N ：PS=Pc l=P盯d l=5 43 0 9 4 4 N 式 中： ， v 胶囊与孔壁压力 ， N； P 胶囊压力 ， 取 2 3 MP a ； s 胶囊 与孔壁接 触面积 ， m ； c 膨 胀后的胶囊外径周长， in ； z 胶囊径 向长度， 取 0 8 0 m； d 膨胀后的胶囊圆柱直径 ， 取 0 0 9 4 m。 胶囊对孔壁压力采用胶囊内外压力差计算， 但 实际工作状态时胶囊与孑 L 壁紧贴 ， 实际摩擦 阻力要 大得多。 胶囊锚固力( 即胶囊与钻孔孔壁摩擦力) ： f= l z N=2 4 4 3 9 2 5 N 栓塞受试验段向上压力 ： F =PS=订r P ：1 3 8 7 2 5 2 N 式中： 产_胶囊 锚 固力 ( 即胶 囊 与钻孔 孔 壁 摩擦 力) ， N； 胶囊与孔壁压力 ， N； 摩擦 系数 ； 栓塞受试验段向上压力 ， N； P 试验段 内压 力 ， P a ； 5 试验段压力对栓塞作用面积 ， m ； r 钻孔半径 ， m。 栓塞受试验段 向上推力 F小于胶囊与孔壁 摩 擦力厂 ， 所 以胶囊锚 固是没有 问题 的。 2 3 2 泄压机构受力计算 由于泄压机构设计 的为弹簧悬挂 ， 压水时泄压 机构处于压力状态下 ， 在上述假设工作条件下 ， 此时 结构 内部压力 为 2 MP a ， 活动阀块受 到压力与阀块 面积有关 ， 根据机构设计尺寸 ， 上部受到的压力为 F = P S= r P=2 0 3 4 7 2 N， 相 当于 2 9 m钻 杆重 力 ( 钻杆 自重 7 k e m) ， 钻杆 自重状态下 ， 内部受力为 拉应力 ， 受到泄压机 构 内力后 ， 钻杆 阀块 以上计 算 2 9 m处为应力零点 ， 此 时计算模型 即为 2 9 m钻杆 自重状态下是变形量。 根据 L u b i n s k i 先生经过数学力学推导 ， 给出了 一 次屈曲的临界受压长度 ： ： 2 0 4m ：2 0 4 ：1 6 5 4 m g 二次屈 曲的临界受压长度 ： L2=4 0 5m =4 0 5 。 ：3 2 8 0 m g 式中 ： 钻 杆 一 次屈 曲 的临 界受 压 长 度 ， m； L ： 钻杆一次屈 曲的临界受压长度 ， m； m无 因次单位长度； E 杨 氏模量， 钻杆为 2 0 5 9 4 x 1 0 m P a ； ， 一钻 杆 断面 轴惯 性 矩 ， 通 过计 算 ， 0 5 0 mm钻杆为 1 8 1 x 1 0 m ； q m 钻柱在泥浆 中每 米重力 ， 5 0 m m钻杆为 7 0 N m。 通过计算得知 ， 钻杆受力情况下一次屈 曲， 钻头 处角度最大 ， 屈 曲角度为： 0=t a n ( 1 0 2 r m) ， 其中 r = 0 5 ( D HD c ) 式中： 屈 曲角 度； m 无 因次单 位 长度； 第4 3卷第 3期 裴熊伟： 钻孔压水试验水压式栓塞排水泄压问题研究 5 9 D 井眼直径 ， i n ； D 钻杆直径 ， 1T I 。 钻杆纵 向位移值 为 m h=H( 1一c o s O )=0 1 1 mm0 计算得出变形量为 0 1 1 m i l l ， 变形是微乎其微 的， 不会由于压力状态导致钻杆弯曲纵向位移， 导致 旁通孔打开。 通过计算可知该结构完全可以满足压力情况下 对试验无影 响。 3 实践应 用 该设备在西藏热玉水电站中坝址左右岸坝肩钻 孔中得到应用， 为了验证设备可靠性 ， 在同一试验段 中采用原始的单管顶压式橡胶栓塞和液压栓塞进行 了试验数据对比， 试验数据基本符合。该钻孔设计 孔深 2 0 0 m， 地下水位为 1 6 4 m， 试验段均为钻孔终 孔压水段 。2次试验使用该泄压机构均顺利地完成 了胶囊排水泄压。 试验数据见表 1 。 表 1 试 验成果 试验结果分析： ( 1 ) 总体说来 ， 2种栓塞测得的 吕荣值基本相符， 说明液压栓塞压水是可靠的； ( 2 ) Z K Z 一 0 7 液压栓塞测得的流量值接近但略大于单管 顶压测得值 ( 0 3 MP a 、 0 6 MP a ) ， 可能由于前次压 水过程 中将部 分小裂隙压裂或贯通 ； ( 3 ) Z K Z一0 7 液压栓塞升压0 3 M P a 流量接近并小于单管顶压降 压 0 3 MP a 流量， 说明液压栓塞封隔试段是相当可 靠的； ( 4 ) 比较 2 个钻孔( 1 0 M P a ) 压水数据， 地层 越破碎 ， 2种方式测得流量值相差越大， 单管顶压式 偏大， 说明其在破碎地层中的封隔效果不够理想。 4结语 该机构解决 了液压栓塞排水泄压问题 ， 使得液 压栓塞可广泛用于压水试验中， 并能充分体现出液 压栓塞的灵活性。而且结构简单 ， 一般车间就可进 行加工制作， 便于推广应用。 本文着重介绍该机构 ， 以单栓塞为例 ， 生产过程 中可以根据生产需要 自行改装成为双栓塞 ， 只需要 通过小高压管连接两端胶囊， 充排压力水实现就很 容易。当实现了双塞压水后 ， 同时也可实现绳索取 心不起大钻压水。 参考文献： 1 s L 3 1 2 0 0 3 ， 水利水电工程钻孔压水试验规程 s 2 杨清芝 实用橡胶工艺学 M 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 5 3 王海忠 水压式双栓塞止水压水技术的研究与实践 J 水文 地质工程地质 ， 2 0 0 5 ， ( 5) ： 1 1 61 2 0 4 李炳平 ， 李小杰 ， 叶成 明， 等 止水栓塞封 隔 一阀式压水器组 合 检测技术 的应 用 J 探矿 工 程 ( 岩 土 钻 掘工 程 ) ， 2 0 0 9， 3 6 ( 3 ) ： 6 9 7 1 5 夏永祥 ， 胡仁 岳 钻孔压水试验 的一种新型设备液压栓塞 J 水利水 电技术 1 9 7 9， ( 2 ) ： 3 1 3 5 6 吴中浩 G P S 3型双塞压水试验设备及其初步应用 J 水利水 电技术 ， 1 9 8 9 ， ( 1 0 ) ： 2 1 2 5 7 张双 气压式压水试验器 J 水 利水 电技 术 ， 1 9 8 3， ( 2) ： 3 5 41 8 周 晓， 易学文 ， 李守圣 ， 等 绳索取心钻进在水利 水电勘探 中存 在的问题及解决思路 J 探矿工程( 岩土钻掘工程) ， 2 0 1 3 ， 4 0 ( 3 ) ： 2 4 2 7 9 李守圣， 周晓， 郭明， 等 绳索取心用止水栓塞的研究与应用 J 探矿工程( 岩土钻掘工程) ， 2 0 1 4 ， 4 1 ( 2 ) ： 7 0 7 3 1 0 易学文， 周晓， 李守圣， 等 水利水电工程钻探绳索取心钻进 中压水试验研 究 J 探 矿工 程 ( 岩 土钻 掘工 程 ) ， 2 0 1 2 ， 3 9 ( S 1 )： 8 88 9 1 1 张成志 ， 尹丹 ， 郭明 钻孔 压水试验 测试仪及其在古 贤水利枢 纽工程 中的试验应 用 J 探矿工 程 ( 岩土 钻掘工程 ) ， 2 0 1 0， 3 7 ( 1 2 ) ： 3 2 3 5 1 2 马善洲 ， 韩志勇 轴力及重 力作用 下钻杆 最大弯 曲应力计 算 J 石油大学 学报 ( 自然科学版)， 2 0 0 1 ， 2 5 ( 2 ) ： 6 8， l 1 1 3 安其美， 赵仕广， 丁立丰， 等 单回路双栓塞止水压水技术及 其应用 J 水力发 电学报 ， 2 0 0 5 ， 2 3 ( 5 ) ： 5 0 5 3 ， 2 7 1 4 袁艳 单栓塞止水 压水试验常见 问题的处理 J 江淮 水利科 技 ， 2 0 1 4 ， ( 4) ： 4 1 4 2 1 5 张国华， 杜学钧， 余侃 单管压水时水头损失的直接测定 法 压力传感器 的研制 和有关 问题的探讨 J 水文地 质 工程地质 ， 1 9 8 0 ， ( 6 ) ： 5 3 5 6， 6 7 1 6 杨进 ， 韩金 明 钻孔 压水试 验技术 的应 用与探讨 J 甘肃水 利水 电技术 ， 2 0 0 5， ( 2 ) ： 1 4 11 4 2 ， 1 4 4