基于ANSYS的深孔帷幕灌浆钻孔弯曲机理研究

邱 顺 兵

(中国人民解放军西部战区空军勘察设计院， 四川 成都 610041)

大岗山水电站位于四川省石棉县境内，其深孔帷幕灌浆工程量大，涉及大坝、二道坝、厂房等部分。该帷幕灌浆工程灌浆孔孔斜控制要求高(顶角变化≤0.5°/100 m[1])，大大超过常规地质钻孔孔斜要求(顶角变化≤2°/100 m)，防斜技术难度大。根据现场测斜资料，工区地层各向异性明显，使灌浆孔孔斜严重，基本达不到设计要求，现场被迫进行大量纠斜工作，严重影响工程进度，工作效率低下。为了把灌浆孔偏斜量控制在设计范围内，进一步提高生产效率，加快施工进度，节约工程费用，对造成钻孔弯曲的原因进行分析、对弯曲机理进行研究显得尤为重要。

根据近年来国内外相关研究，目前对于帷幕灌浆孔弯曲机理研究多为从宏观的地质条件(岩层各向异性、软硬互层、软弱夹层等)、技术条件、施工操作方法等方面进行分析，鲜有成果从微观方面通过对底部钻具边界效应、粗径钻具孔底碎岩过程、钻孔底唇面应力状态等进行分析得出灌浆孔弯曲机理。文章从微观方面钻孔底唇面和有效影响深度范围内地应力入手，利用ANSYS软件有针对性地建立了不同的钻孔弯曲分析数值模型，很好地揭示了钻孔弯曲机理。根据研究结果采取针对性措施，制定、调整、优化钻进工艺参数，很好地将钻孔偏斜控制在设计范围内，避免了发生钻进事故，加快了帷幕灌浆施工速度，产生了可观的经济效益，用于指导该帷幕灌浆工程施工，并为类似工程提供相应工程实践经验。

1 深孔帷幕灌浆钻孔弯曲原因

造成深孔帷幕灌浆钻孔弯曲的原因主要有三方面因素：地质因素、操作技术因素和工艺技术因素[2-3]。对不同的工程而言，其特定的地质条件(地层岩性、岩石结构面产状、岩石的可钻性等)对灌浆孔弯曲影响极其重要。本工程帷幕灌浆孔钻孔弯曲原因的地质因素为：工程场地地质构造较为复杂，区域构造稳定性差。场地处峡谷为“Ω”型，其新构造运动呈剧烈的整体性抬升。山体内部应力高，工区地应力场较为复杂。帷幕灌浆范围内地层各向异性，加之地形地貌的特殊性和地应力场分布情况复杂性，导致地层软弱结构面增加，致使出现软硬岩体交替的情况。工区内岩层倾角一般≥30°，在钻进施工时钻孔底唇面易出现软硬不同情况，导致钻孔弯曲。其工艺技术因素和操作技术因素为：帷幕钻孔工程数量大，帷幕钻孔设计线长，灌浆范围广；存在多层平洞，各层平洞具体地层岩性不同，岩石各向异性明显，岩层产状有差异；由于水利帷幕灌浆的工程特殊性，平洞内净空有限，操作技术较普通地质钻孔技术难度大，钻孔操作技术要求严格，孔斜控制难度大。

2 深孔帷幕灌浆钻孔弯曲条件

在帷幕钻孔施工中，当粗径钻具发生偏转，未沿设计的顶角和方位角钻进时，就会产生灌浆孔弯曲。产生灌浆孔弯曲充分条件为[4]：灌浆孔直径大于钻具直径，存在灌浆孔弯曲的孔壁间隙；钻进过程中有使之产生灌浆孔弯曲的倾倒力，并且要求倾倒方向保持稳定[5]。

为了帷幕灌浆顺利钻孔、有效地冷却钻头、悬浮和排出岩屑，孔壁间隙是客观存在的。该工程帷幕灌浆钻孔采用小口径金刚石钻进工艺，因需施加轴向压力，故使其倾倒的力也是客观存在的。

在各向同性地层中钻进时，钻具倾倒方向不稳定[6]，不满足钻孔弯曲的充分条件，灌浆孔不会发生弯曲。在各向异性地层中钻进时，当底唇面遇到层理面和节理面，孔底会出现应力集中，呈椭圆形的非对称破碎，且由于弯曲力矩原因，使灌浆孔朝垂直于结构面走向的方向倾斜和发展(见图1)[7]。

图1 岩石各向异性对钻具倾斜面的影响

在岩性变化处钻进时，此时钻头底唇面部分为硬岩、部分为软岩，孔底各处岩石的抗压强度、黏聚力、内摩擦角等不同，会产生偏倒力，使灌浆孔朝垂直于结构面走向的方向倾斜和发展。由此，从粗径钻具的孔壁间隙、产生倾倒的力和倾倒力的方向等条件看，该工程的帷幕灌浆孔弯曲都满足弯曲条件。

3 深孔帷幕灌浆钻孔弯曲机理研究

在进行深孔帷幕灌浆钻孔施工时，宏观上是通过钻压把轴向压力施加给钻具，从而提供弯曲所需的偏倒力，故宏观上从钻具管柱方面入手进行钻孔弯曲数值模拟。微观上是由于孔底应力状态不同，非均匀破碎导致帷幕灌浆钻孔弯曲，故微观上从钻具底唇面岩石应力状态进行钻孔弯曲数值模拟。

3.1 ANSYS简介

ANSYS软件最初源自于美国，后经工程技术人员引入，在相关工程领域应用和实践。其核心思路是[8]：把待求量理解成是由许多个节点相互连接的子单元构成，然后设定相关边界条件，利用各种平衡方程和能量守恒条件，从而得出其求解域[9]。

3.2 深孔帷幕灌浆钻孔弯曲数值模拟

(1) 建立模型。先在CAD中绘制出钻具管柱的DWG图形，再将图形保存为软件可识别的文件类型，进而直接插入到ANSYS软件中。建立钻具管柱模型后，根据灌浆钻孔特定施工情况，设置管柱工作条件，结合钻具管柱受力特征施加相应的位移荷载，并导出钻具管柱的下部模型，见图2。

微观上就钻具底唇面岩石应力状态，根据不同地层岩性条件建立针对性的数值分析模型。本文分别就完整硬岩、完整软岩、软硬岩界面处，软弱岩夹层建立不同的钻孔弯曲数值模型[10]。根据圣维南理论[11]，上部荷载对钻孔底部的应力作用仅在一定范围内有效，因此本文为消除模型边界效应，取模型宽度B=10×d(钻孔孔径)，并根据对称原则，建立出1/4平面模型[12]，其模型边界见图3。其中以帷幕灌浆线为x轴，垂直帷幕灌浆线下游为y轴，从帷幕灌浆孔孔口向下为z轴，边界箭头方向与对应方向反向，且指向灌浆孔中心[13-14]。

图2 钻具管柱模型

(2) 定义数值材料特性。在完成前序步骤后，定义相关材料的属性指标，如各类岩石的密度ρ、岩体泊松比μ、单轴抗压强度fcu和岩体变形模量E0等。工区地层主要为坚硬的花岗岩、相对较软的辉绿岩，根据前期研究成果，不同岩性地层的参数指标见表2和表3[15]。

图3 钻孔弯曲模型平面边界

表1 分析模型钻柱物理力学参数

表2 不同岩性材料力学参数

表3 横贯同性地层力学参数值

(3) 划分网格。在完成前序步骤后，定义材料特征[16]，并直接利用DESZE、SMARTSIZE等辅助命令控制过程步骤，进而生成分析模型的控制网格[17]。再根据具体模型情况进行网格修补，从而建立出灌浆孔弯曲数值模型，见图4。

(4) 施加荷载、数据处理及结果导出。根据帷幕钻孔施工的钻进工艺参数进行加荷、数据处理后、得出各模型的孔底应力见图5—图10。

3.3 数值模拟结果分析

(1) 由图5—图7对比：钻进完整的花岗岩、较坚硬辉绿岩(左岸)时，孔底应力值约为5.2×106MPa， 影响范围内深部应力值为3.1×107MPa～4.2×107MPa，孔底应力有规则的渐变，各向基本相同，即表现为底唇面的各处反作用力数值相等，平稳钻进，不会发生钻孔弯曲。

图4 深孔帷幕灌浆孔弯曲立面模型

图6 钻进坚硬辉绿岩(左岸)孔底应力等值线图

图7 钻进软弱辉绿岩(右岸)孔底应力等值线图

图8 钻进花岗岩-辉绿岩交界处孔底应力等值线图

图9 钻进辉绿岩-花岗岩交界处孔底应力等值线图

图10 钻进辉绿岩脉夹层孔底应力等值线图

(2) 由图7钻柱下部至孔底应力范围为0.0×106MPa～5.2×106MPa，同一深度处应力基本相等，但不同深度处应力范围变化较大，甚至在钻具底部出现扩容现象，是因为当钻进辉绿岩时，其自身强度比花岗岩低，穿透后由于钻压、钻具等影响，孔壁被往复掏蚀、破坏，增大了孔壁间隙，造成钻孔弯曲，甚至导致钻孔施工中遇到突然卡钻、钻进负荷突然增大，钻杆折断的事故[18]。

(3) 据图8—图10可知，钻进至两种岩性界面处和辉绿岩脉夹层处，孔底应力值约为1.0×106MPa～5.2×106MPa，影响范围内深部应力值为4.2×107MPa～4.7×107MPa，其孔底应力成非对称发散状，孔底各方向应力增减幅度不同，出现应力集中，呈现为各向异性，钻孔底面各处相应的反力大小不一，不同地层不同方向的孔底应力也大小不一，致使钻进在偏倒力作用下产生偏斜，从而出现钻进弯曲。

(4) 根据孔底应力图5—图10，利用数值模拟方法合理地揭示了不对称地应力下，导致孔底钻具倾倒、偏斜，进而产生钻孔弯曲的原因。

(5) 根据数值模拟成果，一般在地层岩性变化处、岩脉夹层处更易出现非均匀应力，故在现场施工钻至相应层面时，需对钻进规程参数进行及时调整，避免出现钻孔弯曲。

4 结 论

(1) 本文就大岗山深孔帷幕灌浆孔弯曲情况，从钻孔弯曲原因、钻孔弯曲条件进行了深入分析，并根据不同地层情况，利用ANSYS软件有针对性地建立了不同的钻孔弯曲数值模型，进行了相应的模拟、分析，很好的揭示了孔底非对称、不均匀应力导致帷幕灌浆钻孔弯曲的原因。

(2) 利用ANSYS软件进行深孔帷幕灌浆钻孔弯曲数值模拟，很好地满足了大岗山水电站深孔帷幕灌浆孔施工中孔斜分析要求，根据研究结果采取针对性措施对相关因素进行控制，并注重在地层岩性变化处调整钻进工艺参数，将钻孔偏斜控制在设计范围内，满足了灌浆孔孔斜要求。根据研究成果用于指导后续灌浆孔施工，并为类似水利水电工程提供相应工程实践经验。