鉆探用水方案創(chuàng)新優(yōu)化試驗(yàn)

吳 剛 張海濤

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050； 2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

鉆探用水方案創(chuàng)新優(yōu)化試驗(yàn)

吳 剛1張海濤2

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050； 2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

針對(duì)勘察項(xiàng)目中的鉆探用水難題，在洞庭湖大橋工程地質(zhì)勘察項(xiàng)目中開(kāi)展了鉆探用水方案優(yōu)化試驗(yàn)，將幾種方案的可行性及成本進(jìn)行了對(duì)比，確定了就近抽取淺層地下水作為鉆探用水的最佳方案。

鉆探用水，優(yōu)化試驗(yàn)，淺層地下水，方案

1 場(chǎng)區(qū)條件

足量的鉆探用水供應(yīng)是保證鉆探工作正常進(jìn)行的必要條件。洞庭湖大橋橋址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，表層為厚20 m～30 m的粘性土和砂層，砂層透水性強(qiáng)，易垮塌，必須依靠泥漿或者套管護(hù)壁；下部基巖為板巖，局部構(gòu)造強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙極發(fā)育，鉆探過(guò)程中產(chǎn)生的巖粉巖渣多，且局部漏漿嚴(yán)重，鉆探用水量供應(yīng)不足極易發(fā)生埋鉆事故，造成鉆孔報(bào)廢，設(shè)備損失，且損失的設(shè)備打撈難度極大。

雖然被洞庭湖和長(zhǎng)江河道環(huán)抱，周?chē)簇S富，但因蘆葦灘地平坦開(kāi)闊，橋線距兩側(cè)水體距離普遍在400 m～800 m，且鉆探施工季節(jié)在枯水季節(jié)，江水水位低于鉆探場(chǎng)地8 m～10 m，水頭差較大，水泵遠(yuǎn)距離輸水故障率高，管材及電纜成本高，鋪設(shè)困難；場(chǎng)內(nèi)蘆葦密布，交通狀況很差，用車(chē)運(yùn)水效率低下，且成本巨大；洞庭湖蘆葦廠區(qū)屬于血吸蟲(chóng)重災(zāi)區(qū)，雖然枯水季節(jié)相對(duì)安全，但頻繁的接觸疫水仍有一定的安全隱患，因此，開(kāi)工初期鉆探用水困難成為了阻礙項(xiàng)目正常進(jìn)行的一大瓶頸。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，場(chǎng)區(qū)地層條件下鉆機(jī)正常工作至少每臺(tái)鉆機(jī)需要水2 t/d，遇到塌孔漏漿等情況則需要水5 t/d～8 t/d，需水量較大。

現(xiàn)場(chǎng)共有鉆機(jī)30臺(tái)，為回避用水困難，開(kāi)工初期鉆機(jī)全部選擇了靠近水源的鉆孔施工，對(duì)水源超過(guò)500 m的鉆孔，只能暫時(shí)擱置。

同時(shí)因時(shí)值冬末初春，水泵及水管中的殘余水常在夜間結(jié)冰，造成水管堵死，無(wú)法開(kāi)工，浪費(fèi)了很多寶貴時(shí)間。

3 常規(guī)方案對(duì)比

綜合考慮場(chǎng)區(qū)條件，場(chǎng)區(qū)內(nèi)可采用抽水和車(chē)輛運(yùn)水兩種方案解決鉆探用水問(wèn)題，其中抽水方案根據(jù)設(shè)備類(lèi)型又可細(xì)分為柴油自吸泵抽水和交流發(fā)電機(jī)+220 V自吸泵抽水兩種方式，車(chē)輛運(yùn)水則可細(xì)分為拖拉機(jī)運(yùn)水和灑水車(chē)運(yùn)水兩種方式。對(duì)各種用水方案優(yōu)缺點(diǎn)及用水成本進(jìn)行對(duì)比分析如下：

對(duì)兩種運(yùn)水方案：拖拉機(jī)運(yùn)水單價(jià)80元/t，優(yōu)點(diǎn)為數(shù)量多，調(diào)配較靈活，對(duì)道路交通條件要求較低；灑水車(chē)運(yùn)水單價(jià)50元/t，優(yōu)點(diǎn)為供水速度較快，但灑水車(chē)僅有一臺(tái)，總供水能力較低，且對(duì)道路交通條件要求較高。

對(duì)兩種抽水方案：柴油自吸泵方案設(shè)備成本3 500元/套，油耗每噸水5元，優(yōu)點(diǎn)是用水成本低，但是有開(kāi)關(guān)不靈活，輸水管太長(zhǎng)，搬運(yùn)、鋪設(shè)困難，極限輸送距離500 m，且有效吸水揚(yáng)程小于5 m等缺點(diǎn)；220 V發(fā)電機(jī)+220 V自吸泵方案設(shè)備成本6 300元/套，油耗每噸水7元，優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)靈活，揚(yáng)程高，但是有電纜、輸水管太長(zhǎng)，搬運(yùn)、鋪設(shè)困難，極限輸送距離400 m，及用電安全隱患等缺點(diǎn)。

根據(jù)場(chǎng)地現(xiàn)有條件，采用單一方式解決鉆探用水問(wèn)題的辦法只有拖拉機(jī)運(yùn)水方案，此方案為方案一；另外根據(jù)各種供水方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，場(chǎng)區(qū)內(nèi)鉆探用水還可采用多種方式相結(jié)合的方案二解決用水問(wèn)題，即對(duì)水源距離小于500 m的鉆孔采用抽水方式解決供水問(wèn)題，對(duì)水源距離大于500 m的鉆孔根據(jù)交通條件采用灑水車(chē)或者拖拉機(jī)送水。

對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)199個(gè)鉆孔鉆探用水成本進(jìn)行計(jì)算，其中80個(gè)鉆孔距水源距離小于500 m，119個(gè)鉆孔距水源距離大于500 m，平均每孔鉆探時(shí)間按5 d計(jì)算，每孔需耗水10 t，另外漏水異?？缀乃堪凑？?倍考慮，異?？讛?shù)量按30%計(jì)為60個(gè)，總鉆探耗水量為3 190 t。拖拉機(jī)運(yùn)水80元/t，灑水車(chē)運(yùn)水50元/t，抽水方案考慮管線損壞等成本，用水綜合單價(jià)按10元/t計(jì)算，另外因水源距離過(guò)遠(yuǎn)，鉆機(jī)自備輸水管及電纜數(shù)量不足，30臺(tái)鉆機(jī)按平均增購(gòu)300 m水管計(jì)算，需費(fèi)用27 000元，另外部分鉆機(jī)需增加電纜，費(fèi)用按3 000元計(jì)算，增購(gòu)管線材料費(fèi)用30 000元，計(jì)算得出方案一總費(fèi)用為25 520元，孔均1 282.41元，方案二的總費(fèi)用181 500元，孔均912.06元，方案二成本雖然相對(duì)方案一較低，但依然高于預(yù)期。

4 創(chuàng)新方案研究

因鉆孔間距一般小于50 m，如果能夠?qū)⒁殉摄@孔中的地下水作為水源，采用抽水的方式大大降低用水成本。為了解決鉆探用水難題，項(xiàng)目部創(chuàng)新性地提出了通過(guò)抽取已成鉆孔中地下水作為鉆探用水的方案，但要采用此方案，必須解決以下三個(gè)問(wèn)題：

1)鉆孔出水量能否滿足供水需求。

用水量估算：場(chǎng)地內(nèi)地下水豐富，水位埋深淺，地下水穩(wěn)定水位一般在2 m～3 m，在地表淺層地層主要由表層厚3 m～5 m的粉質(zhì)粘土層及下部的粉細(xì)砂、圓礫土層組成，地下水類(lèi)型為低壓承壓水，鉆孔直徑為130 mm，一般孔深60 m，巖面平均埋深30 m左右，根據(jù)Dupuit公式，對(duì)于承壓完整井：

Q=2πKMsw/(lnR-lnrw)。

其中，R=10swK1/2。

細(xì)砂含水層滲透系數(shù)取10 m/d，承壓含水層厚度按15 m計(jì)，抽水井半徑0.06 m，當(dāng)抽水降深為0.5 m時(shí)，抽水井流量為87 m3/d(3.6 m3/h)，因此，鉆孔抽水的出水量完全能夠滿足用水要求。只要能夠選擇合適的抽水設(shè)備和孔壁支護(hù)及濾管設(shè)置方案，新方案解決鉆探用水問(wèn)題是完全可行的。

在實(shí)際情況下，鉆孔完成后護(hù)孔套管將拔出，泥漿不再循環(huán)，鉆孔內(nèi)散體狀地層孔壁將坍塌，孔壁下方將形成空腔，底部鉆孔被坍塌物堵死，為臨時(shí)抽水而全孔支護(hù)顯然不是經(jīng)濟(jì)的做法，在滿足出水量的情況下對(duì)鉆孔進(jìn)行局部選擇性支護(hù)是降低成本的必要手段。

根據(jù)吉林斯基公式，對(duì)承壓水非完整井：

Q=Kls/0.336lg(1.6×1/r)。

在采用孔口局部支護(hù)，濾管設(shè)置1 m的情況下，當(dāng)抽水降深為1 m時(shí)，水量為20 m3/d，可以滿足1臺(tái)～2臺(tái)鉆機(jī)的用水需求。

2)抽水設(shè)備能否滿足抽水揚(yáng)程、水井直徑及抽水量要求。

現(xiàn)場(chǎng)抽水設(shè)備主要有220 V潛水泵、220 V深井泵、220 V自吸泵和柴油自吸泵，各套設(shè)備購(gòu)置成本大致相當(dāng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備除了220 V潛水泵因機(jī)身直徑過(guò)大無(wú)法直接放入鉆孔外，其他三種設(shè)備均能滿足要求。

3)孔壁臨時(shí)簡(jiǎn)易支護(hù)及過(guò)濾管設(shè)置問(wèn)題。

由于深井泵進(jìn)砂易導(dǎo)致燒泵，因此簡(jiǎn)易支護(hù)和設(shè)置過(guò)濾管也是很有必要的。我們選用了110 mm PVC排水管作為支護(hù)管，管長(zhǎng)單根4 m，下部3 m鉆孔包紗布作為花管過(guò)濾，管口設(shè)掛繩，管材輕，單人即可輕松完成下管或起管工作，可重復(fù)利用，不易損壞，而且成本極低，單根成本一般在50元以內(nèi)。

通過(guò)分析討論，確定本工程鉆探用水問(wèn)題采用方案三理論上是可行的，因方案三基本可以全部利用現(xiàn)有設(shè)備，添置設(shè)備極少，因此適用性極強(qiáng)，且成本極低，完全能夠滿足需要。

5 新方案試驗(yàn)

制作好護(hù)孔花管后，我們選擇了三個(gè)抽水設(shè)備分別為深井泵、自吸泵和柴油自吸泵的機(jī)臺(tái)開(kāi)展試驗(yàn)。每孔均設(shè)置4 m護(hù)孔花管，開(kāi)啟水泵后觀測(cè)水位降深，待降深穩(wěn)定至預(yù)定深度后用三角堰實(shí)測(cè)出水量，實(shí)際抽水水量深井泵為1.51 t/h，220 V自吸泵1.02 t/h，柴油自吸泵1.17 t/h，結(jié)果表明，穩(wěn)定狀態(tài)下實(shí)際出水量比計(jì)算出水量大，分析原因如下：

1)滲透系數(shù)K值取值10 m/d較為保守；

2)計(jì)算取濾管長(zhǎng)度為1 m，但在實(shí)際情況下，由于下部不會(huì)馬上塌孔堵死，孔內(nèi)的有效滲水段長(zhǎng)度往往大于1 m，并且隨著上部松散地層的垮塌，上部井徑將會(huì)變大，因此實(shí)際出水量大于計(jì)算出水量。

抽水試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在抽水初期，因?yàn)槟酀{在孔壁形成的泥皮對(duì)地下水滲流的阻礙作用，出水量往往偏低，抽取一定降深并持續(xù)一段時(shí)間后，孔壁在滲透壓力作用下將逐步坍塌，泥皮破壞后孔壁滲透性大大增強(qiáng)，因此實(shí)際抽水過(guò)程中水位往往不是線性下降至穩(wěn)定值，而是下降至最低值后有一定的回升然后穩(wěn)定，因此鉆孔成孔后實(shí)施洗井工作有助于使抽水過(guò)程快速達(dá)到較大出水量。

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，單個(gè)鉆孔經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后的日供水能力最小可達(dá)20 t，且分散靈活，完全能夠滿足30臺(tái)鉆機(jī)日供水量不低于5 t的需求。按整個(gè)項(xiàng)目199孔最大用水量3 190 t，抽水最高成本10元/t計(jì)算，加上2 000元增購(gòu)材料費(fèi)，供水成本為170元/孔，成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方案。同時(shí)由于可以就近用水，節(jié)約了大量管材損耗和時(shí)間消耗。

6 結(jié)語(yǔ)

抽水試驗(yàn)成功證明了方案三是完全可行的，試驗(yàn)小組總結(jié)后在工地進(jìn)行了新用水方案的推廣，大大降低了用水成本，提高了勘察作業(yè)效率。

鉆孔抽取的地下水與地表水無(wú)聯(lián)系，在不被疫水污染的情況下是安全的，杜絕了施工人員感染疫區(qū)血吸蟲(chóng)病的風(fēng)險(xiǎn)，保障了用水安全。

當(dāng)然，就近抽取既有鉆孔地下水作為鉆探用水的方案在類(lèi)似勘察項(xiàng)目中的適用性受場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件及鉆孔封孔要求等條件控制，當(dāng)?shù)叵滤惠^深或地層含水量小、透水性差，或者需嚴(yán)格回填封孔時(shí)，新方案將不再適用。

[1] SL 320—2005，水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2] 常士驃,張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)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

吳 剛(1981- )，男，碩士，工程師； 張海濤(1981- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)09-0071-02

TU412

A