钻探用水方案创新优化试验

吴 刚 张海涛

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050； 2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

钻探用水方案创新优化试验

吴 刚1张海涛2

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050； 2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

针对勘察项目中的钻探用水难题，在洞庭湖大桥工程地质勘察项目中开展了钻探用水方案优化试验，将几种方案的可行性及成本进行了对比，确定了就近抽取浅层地下水作为钻探用水的最佳方案。

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1 场区条件

足量的钻探用水供应是保证钻探工作正常进行的必要条件。洞庭湖大桥桥址区地质条件复杂，表层为厚20 m～30 m的粘性土和砂层，砂层透水性强，易垮塌，必须依靠泥浆或者套管护壁；下部基岩为板岩，局部构造强烈，节理裂隙极发育，钻探过程中产生的岩粉岩渣多，且局部漏浆严重，钻探用水量供应不足极易发生埋钻事故，造成钻孔报废，设备损失，且损失的设备打捞难度极大。

虽然被洞庭湖和长江河道环抱，周围水源丰富，但因芦苇滩地平坦开阔，桥线距两侧水体距离普遍在400 m～800 m，且钻探施工季节在枯水季节，江水水位低于钻探场地8 m～10 m，水头差较大，水泵远距离输水故障率高，管材及电缆成本高，铺设困难；场内芦苇密布，交通状况很差，用车运水效率低下，且成本巨大；洞庭湖芦苇厂区属于血吸虫重灾区，虽然枯水季节相对安全，但频繁的接触疫水仍有一定的安全隐患，因此，开工初期钻探用水困难成为了阻碍项目正常进行的一大瓶颈。

2 现状调查

根据现场调查，场区地层条件下钻机正常工作至少每台钻机需要水2 t/d，遇到塌孔漏浆等情况则需要水5 t/d～8 t/d，需水量较大。

现场共有钻机30台，为回避用水困难，开工初期钻机全部选择了靠近水源的钻孔施工，对水源超过500 m的钻孔，只能暂时搁置。

同时因时值冬末初春，水泵及水管中的残余水常在夜间结冰，造成水管堵死，无法开工，浪费了很多宝贵时间。

3 常规方案对比

综合考虑场区条件，场区内可采用抽水和车辆运水两种方案解决钻探用水问题，其中抽水方案根据设备类型又可细分为柴油自吸泵抽水和交流发电机+220 V自吸泵抽水两种方式，车辆运水则可细分为拖拉机运水和洒水车运水两种方式。对各种用水方案优缺点及用水成本进行对比分析如下：

对两种运水方案：拖拉机运水单价80元/t，优点为数量多，调配较灵活，对道路交通条件要求较低；洒水车运水单价50元/t，优点为供水速度较快，但洒水车仅有一台，总供水能力较低，且对道路交通条件要求较高。

对两种抽水方案：柴油自吸泵方案设备成本3 500元/套，油耗每吨水5元，优点是用水成本低，但是有开关不灵活，输水管太长，搬运、铺设困难，极限输送距离500 m，且有效吸水扬程小于5 m等缺点；220 V发电机+220 V自吸泵方案设备成本6 300元/套，油耗每吨水7元，优点是开关灵活，扬程高，但是有电缆、输水管太长，搬运、铺设困难，极限输送距离400 m，及用电安全隐患等缺点。

根据场地现有条件，采用单一方式解决钻探用水问题的办法只有拖拉机运水方案，此方案为方案一；另外根据各种供水方式的优缺点及适用条件，场区内钻探用水还可采用多种方式相结合的方案二解决用水问题，即对水源距离小于500 m的钻孔采用抽水方式解决供水问题，对水源距离大于500 m的钻孔根据交通条件采用洒水车或者拖拉机送水。

对场区内199个钻孔钻探用水成本进行计算，其中80个钻孔距水源距离小于500 m，119个钻孔距水源距离大于500 m，平均每孔钻探时间按5 d计算，每孔需耗水10 t，另外漏水异常孔耗水量按正常孔3倍考虑，异常孔数量按30%计为60个，总钻探耗水量为3 190 t。拖拉机运水80元/t，洒水车运水50元/t，抽水方案考虑管线损坏等成本，用水综合单价按10元/t计算，另外因水源距离过远，钻机自备输水管及电缆数量不足，30台钻机按平均增购300 m水管计算，需费用27 000元，另外部分钻机需增加电缆，费用按3 000元计算，增购管线材料费用30 000元，计算得出方案一总费用为25 520元，孔均1 282.41元，方案二的总费用181 500元，孔均912.06元，方案二成本虽然相对方案一较低，但依然高于预期。

4 创新方案研究

因钻孔间距一般小于50 m，如果能够将已成钻孔中的地下水作为水源，采用抽水的方式大大降低用水成本。为了解决钻探用水难题，项目部创新性地提出了通过抽取已成钻孔中地下水作为钻探用水的方案，但要采用此方案，必须解决以下三个问题：

1)钻孔出水量能否满足供水需求。

用水量估算：场地内地下水丰富，水位埋深浅，地下水稳定水位一般在2 m～3 m，在地表浅层地层主要由表层厚3 m～5 m的粉质粘土层及下部的粉细砂、圆砾土层组成，地下水类型为低压承压水，钻孔直径为130 mm，一般孔深60 m，岩面平均埋深30 m左右，根据Dupuit公式，对于承压完整井：

Q=2πKMsw/(lnR-lnrw)。

其中，R=10swK1/2。

细砂含水层渗透系数取10 m/d，承压含水层厚度按15 m计，抽水井半径0.06 m，当抽水降深为0.5 m时，抽水井流量为87 m3/d(3.6 m3/h)，因此，钻孔抽水的出水量完全能够满足用水要求。只要能够选择合适的抽水设备和孔壁支护及滤管设置方案，新方案解决钻探用水问题是完全可行的。

在实际情况下，钻孔完成后护孔套管将拔出，泥浆不再循环，钻孔内散体状地层孔壁将坍塌，孔壁下方将形成空腔，底部钻孔被坍塌物堵死，为临时抽水而全孔支护显然不是经济的做法，在满足出水量的情况下对钻孔进行局部选择性支护是降低成本的必要手段。

根据吉林斯基公式，对承压水非完整井：

Q=Kls/0.336lg(1.6×1/r)。

在采用孔口局部支护，滤管设置1 m的情况下，当抽水降深为1 m时，水量为20 m3/d，可以满足1台～2台钻机的用水需求。

2)抽水设备能否满足抽水扬程、水井直径及抽水量要求。

现场抽水设备主要有220 V潜水泵、220 V深井泵、220 V自吸泵和柴油自吸泵，各套设备购置成本大致相当，现场设备除了220 V潜水泵因机身直径过大无法直接放入钻孔外，其他三种设备均能满足要求。

3)孔壁临时简易支护及过滤管设置问题。

由于深井泵进砂易导致烧泵，因此简易支护和设置过滤管也是很有必要的。我们选用了110 mm PVC排水管作为支护管，管长单根4 m，下部3 m钻孔包纱布作为花管过滤，管口设挂绳，管材轻，单人即可轻松完成下管或起管工作，可重复利用，不易损坏，而且成本极低，单根成本一般在50元以内。

通过分析讨论，确定本工程钻探用水问题采用方案三理论上是可行的，因方案三基本可以全部利用现有设备，添置设备极少，因此适用性极强，且成本极低，完全能够满足需要。

5 新方案试验

制作好护孔花管后，我们选择了三个抽水设备分别为深井泵、自吸泵和柴油自吸泵的机台开展试验。每孔均设置4 m护孔花管，开启水泵后观测水位降深，待降深稳定至预定深度后用三角堰实测出水量，实际抽水水量深井泵为1.51 t/h，220 V自吸泵1.02 t/h，柴油自吸泵1.17 t/h，结果表明，稳定状态下实际出水量比计算出水量大，分析原因如下：

1)渗透系数K值取值10 m/d较为保守；

2)计算取滤管长度为1 m，但在实际情况下，由于下部不会马上塌孔堵死，孔内的有效渗水段长度往往大于1 m，并且随着上部松散地层的垮塌，上部井径将会变大，因此实际出水量大于计算出水量。

抽水试验还发现，在抽水初期，因为泥浆在孔壁形成的泥皮对地下水渗流的阻碍作用，出水量往往偏低，抽取一定降深并持续一段时间后，孔壁在渗透压力作用下将逐步坍塌，泥皮破坏后孔壁渗透性大大增强，因此实际抽水过程中水位往往不是线性下降至稳定值，而是下降至最低值后有一定的回升然后稳定，因此钻孔成孔后实施洗井工作有助于使抽水过程快速达到较大出水量。

经过实测，单个钻孔经过简单处理后的日供水能力最小可达20 t，且分散灵活，完全能够满足30台钻机日供水量不低于5 t的需求。按整个项目199孔最大用水量3 190 t，抽水最高成本10元/t计算，加上2 000元增购材料费，供水成本为170元/孔，成本远低于传统方案。同时由于可以就近用水，节约了大量管材损耗和时间消耗。

6 结语

抽水试验成功证明了方案三是完全可行的，试验小组总结后在工地进行了新用水方案的推广，大大降低了用水成本，提高了勘察作业效率。

钻孔抽取的地下水与地表水无联系，在不被疫水污染的情况下是安全的，杜绝了施工人员感染疫区血吸虫病的风险，保障了用水安全。

当然，就近抽取既有钻孔地下水作为钻探用水的方案在类似勘察项目中的适用性受场区水文地质条件及钻孔封孔要求等条件控制，当地下水位较深或地层含水量小、透水性差，或者需严格回填封孔时，新方案将不再适用。

[1] SL 320—2005，水利水电工程钻孔抽水试验规程[S].

[2] 常士骠,张苏民.工程地质手册[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

Analysis on drilling water supply scheme and innovation of the optimization test

Wu Gang1Zhang Haitao2

(1.ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan430050,China;2.CPECCCentralSouthChinaElectricPowerDesignInstituteLimitedCompany,Wuhan430071,China)

To solve the problem of water for drilling shortage， a scheme optimization test of getting water for drilling was implemented in the geotechnical investigation of Dongting lake bridge， by the feasibility and cost comparison of several schemes， the best one is pumping the shallow groundwater nearby as the water for drilling.

water for drilling, scheme optimization test, shallow groundwater, scheme

2015-01-16

吴 刚(1981- )，男，硕士，工程师； 张海涛(1981- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)09-0071-02

TU412

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