基于ANSYS的深孔帷幕灌漿鉆孔彎曲機(jī)理研究

邱 順 兵

(中國人民解放軍西部戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設(shè)計(jì)院， 四川 成都 610041)

大崗山水電站位于四川省石棉縣境內(nèi)，其深孔帷幕灌漿工程量大，涉及大壩、二道壩、廠房等部分。該帷幕灌漿工程灌漿孔孔斜控制要求高(頂角變化≤0.5°/100 m[1])，大大超過常規(guī)地質(zhì)鉆孔孔斜要求(頂角變化≤2°/100 m)，防斜技術(shù)難度大。根據(jù)現(xiàn)場測斜資料，工區(qū)地層各向異性明顯，使灌漿孔孔斜嚴(yán)重，基本達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場被迫進(jìn)行大量糾斜工作，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，工作效率低下。為了把灌漿孔偏斜量控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，加快施工進(jìn)度，節(jié)約工程費(fèi)用，對造成鉆孔彎曲的原因進(jìn)行分析、對彎曲機(jī)理進(jìn)行研究顯得尤為重要。

根據(jù)近年來國內(nèi)外相關(guān)研究，目前對于帷幕灌漿孔彎曲機(jī)理研究多為從宏觀的地質(zhì)條件(巖層各向異性、軟硬互層、軟弱夾層等)、技術(shù)條件、施工操作方法等方面進(jìn)行分析，鮮有成果從微觀方面通過對底部鉆具邊界效應(yīng)、粗徑鉆具孔底碎巖過程、鉆孔底唇面應(yīng)力狀態(tài)等進(jìn)行分析得出灌漿孔彎曲機(jī)理。文章從微觀方面鉆孔底唇面和有效影響深度范圍內(nèi)地應(yīng)力入手，利用ANSYS軟件有針對性地建立了不同的鉆孔彎曲分析數(shù)值模型，很好地揭示了鉆孔彎曲機(jī)理。根據(jù)研究結(jié)果采取針對性措施，制定、調(diào)整、優(yōu)化鉆進(jìn)工藝參數(shù)，很好地將鉆孔偏斜控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，避免了發(fā)生鉆進(jìn)事故，加快了帷幕灌漿施工速度，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，用于指導(dǎo)該帷幕灌漿工程施工，并為類似工程提供相應(yīng)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 深孔帷幕灌漿鉆孔彎曲原因

造成深孔帷幕灌漿鉆孔彎曲的原因主要有三方面因素：地質(zhì)因素、操作技術(shù)因素和工藝技術(shù)因素[2-3]。對不同的工程而言，其特定的地質(zhì)條件(地層巖性、巖石結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、巖石的可鉆性等)對灌漿孔彎曲影響極其重要。本工程帷幕灌漿孔鉆孔彎曲原因的地質(zhì)因素為：工程場地地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。場地處峽谷為“Ω”型，其新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)呈劇烈的整體性抬升。山體內(nèi)部應(yīng)力高，工區(qū)地應(yīng)力場較為復(fù)雜。帷幕灌漿范圍內(nèi)地層各向異性，加之地形地貌的特殊性和地應(yīng)力場分布情況復(fù)雜性，導(dǎo)致地層軟弱結(jié)構(gòu)面增加，致使出現(xiàn)軟硬巖體交替的情況。工區(qū)內(nèi)巖層傾角一般≥30°，在鉆進(jìn)施工時(shí)鉆孔底唇面易出現(xiàn)軟硬不同情況，導(dǎo)致鉆孔彎曲。其工藝技術(shù)因素和操作技術(shù)因素為：帷幕鉆孔工程數(shù)量大，帷幕鉆孔設(shè)計(jì)線長，灌漿范圍廣；存在多層平洞，各層平洞具體地層巖性不同，巖石各向異性明顯，巖層產(chǎn)狀有差異；由于水利帷幕灌漿的工程特殊性，平洞內(nèi)凈空有限，操作技術(shù)較普通地質(zhì)鉆孔技術(shù)難度大，鉆孔操作技術(shù)要求嚴(yán)格，孔斜控制難度大。

2 深孔帷幕灌漿鉆孔彎曲條件

在帷幕鉆孔施工中，當(dāng)粗徑鉆具發(fā)生偏轉(zhuǎn)，未沿設(shè)計(jì)的頂角和方位角鉆進(jìn)時(shí)，就會產(chǎn)生灌漿孔彎曲。產(chǎn)生灌漿孔彎曲充分條件為[4]：灌漿孔直徑大于鉆具直徑，存在灌漿孔彎曲的孔壁間隙；鉆進(jìn)過程中有使之產(chǎn)生灌漿孔彎曲的傾倒力，并且要求傾倒方向保持穩(wěn)定[5]。

為了帷幕灌漿順利鉆孔、有效地冷卻鉆頭、懸浮和排出巖屑，孔壁間隙是客觀存在的。該工程帷幕灌漿鉆孔采用小口徑金剛石鉆進(jìn)工藝，因需施加軸向壓力，故使其傾倒的力也是客觀存在的。

在各向同性地層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆具傾倒方向不穩(wěn)定[6]，不滿足鉆孔彎曲的充分條件，灌漿孔不會發(fā)生彎曲。在各向異性地層中鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)?shù)状矫嬗龅綄永砻婧凸?jié)理面，孔底會出現(xiàn)應(yīng)力集中，呈橢圓形的非對稱破碎，且由于彎曲力矩原因，使灌漿孔朝垂直于結(jié)構(gòu)面走向的方向傾斜和發(fā)展(見圖1)[7]。

圖1 巖石各向異性對鉆具傾斜面的影響

在巖性變化處鉆進(jìn)時(shí)，此時(shí)鉆頭底唇面部分為硬巖、部分為軟巖，孔底各處巖石的抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等不同，會產(chǎn)生偏倒力，使灌漿孔朝垂直于結(jié)構(gòu)面走向的方向傾斜和發(fā)展。由此，從粗徑鉆具的孔壁間隙、產(chǎn)生傾倒的力和傾倒力的方向等條件看，該工程的帷幕灌漿孔彎曲都滿足彎曲條件。

3 深孔帷幕灌漿鉆孔彎曲機(jī)理研究

在進(jìn)行深孔帷幕灌漿鉆孔施工時(shí)，宏觀上是通過鉆壓把軸向壓力施加給鉆具，從而提供彎曲所需的偏倒力，故宏觀上從鉆具管柱方面入手進(jìn)行鉆孔彎曲數(shù)值模擬。微觀上是由于孔底應(yīng)力狀態(tài)不同，非均勻破碎導(dǎo)致帷幕灌漿鉆孔彎曲，故微觀上從鉆具底唇面巖石應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行鉆孔彎曲數(shù)值模擬。

3.1 ANSYS簡介

ANSYS軟件最初源自于美國，后經(jīng)工程技術(shù)人員引入，在相關(guān)工程領(lǐng)域應(yīng)用和實(shí)踐。其核心思路是[8]：把待求量理解成是由許多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接的子單元構(gòu)成，然后設(shè)定相關(guān)邊界條件，利用各種平衡方程和能量守恒條件，從而得出其求解域[9]。

3.2 深孔帷幕灌漿鉆孔彎曲數(shù)值模擬

(1) 建立模型。先在CAD中繪制出鉆具管柱的DWG圖形，再將圖形保存為軟件可識別的文件類型，進(jìn)而直接插入到ANSYS軟件中。建立鉆具管柱模型后，根據(jù)灌漿鉆孔特定施工情況，設(shè)置管柱工作條件，結(jié)合鉆具管柱受力特征施加相應(yīng)的位移荷載，并導(dǎo)出鉆具管柱的下部模型，見圖2。

微觀上就鉆具底唇面巖石應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)不同地層巖性條件建立針對性的數(shù)值分析模型。本文分別就完整硬巖、完整軟巖、軟硬巖界面處，軟弱巖夾層建立不同的鉆孔彎曲數(shù)值模型[10]。根據(jù)圣維南理論[11]，上部荷載對鉆孔底部的應(yīng)力作用僅在一定范圍內(nèi)有效，因此本文為消除模型邊界效應(yīng)，取模型寬度B=10×d(鉆孔孔徑)，并根據(jù)對稱原則，建立出1/4平面模型[12]，其模型邊界見圖3。其中以帷幕灌漿線為x軸，垂直帷幕灌漿線下游為y軸，從帷幕灌漿孔孔口向下為z軸，邊界箭頭方向與對應(yīng)方向反向，且指向灌漿孔中心[13-14]。

圖2 鉆具管柱模型

(2) 定義數(shù)值材料特性。在完成前序步驟后，定義相關(guān)材料的屬性指標(biāo)，如各類巖石的密度ρ、巖體泊松比μ、單軸抗壓強(qiáng)度fcu和巖體變形模量E0等。工區(qū)地層主要為堅(jiān)硬的花崗巖、相對較軟的輝綠巖，根據(jù)前期研究成果，不同巖性地層的參數(shù)指標(biāo)見表2和表3[15]。

圖3 鉆孔彎曲模型平面邊界

表1 分析模型鉆柱物理力學(xué)參數(shù)

表2 不同巖性材料力學(xué)參數(shù)

表3 橫貫同性地層力學(xué)參數(shù)值

(3) 劃分網(wǎng)格。在完成前序步驟后，定義材料特征[16]，并直接利用DESZE、SMARTSIZE等輔助命令控制過程步驟，進(jìn)而生成分析模型的控制網(wǎng)格[17]。再根據(jù)具體模型情況進(jìn)行網(wǎng)格修補(bǔ)，從而建立出灌漿孔彎曲數(shù)值模型，見圖4。

(4) 施加荷載、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果導(dǎo)出。根據(jù)帷幕鉆孔施工的鉆進(jìn)工藝參數(shù)進(jìn)行加荷、數(shù)據(jù)處理后、得出各模型的孔底應(yīng)力見圖5—圖10。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1) 由圖5—圖7對比：鉆進(jìn)完整的花崗巖、較堅(jiān)硬輝綠巖(左岸)時(shí)，孔底應(yīng)力值約為5.2×106MPa， 影響范圍內(nèi)深部應(yīng)力值為3.1×107MPa～4.2×107MPa，孔底應(yīng)力有規(guī)則的漸變，各向基本相同，即表現(xiàn)為底唇面的各處反作用力數(shù)值相等，平穩(wěn)鉆進(jìn)，不會發(fā)生鉆孔彎曲。

圖4 深孔帷幕灌漿孔彎曲立面模型

圖6 鉆進(jìn)堅(jiān)硬輝綠巖(左岸)孔底應(yīng)力等值線圖

圖7 鉆進(jìn)軟弱輝綠巖(右岸)孔底應(yīng)力等值線圖

圖8 鉆進(jìn)花崗巖-輝綠巖交界處孔底應(yīng)力等值線圖

圖9 鉆進(jìn)輝綠巖-花崗巖交界處孔底應(yīng)力等值線圖

圖10 鉆進(jìn)輝綠巖脈夾層孔底應(yīng)力等值線圖

(2) 由圖7鉆柱下部至孔底應(yīng)力范圍為0.0×106MPa～5.2×106MPa，同一深度處應(yīng)力基本相等，但不同深度處應(yīng)力范圍變化較大，甚至在鉆具底部出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象，是因?yàn)楫?dāng)鉆進(jìn)輝綠巖時(shí)，其自身強(qiáng)度比花崗巖低，穿透后由于鉆壓、鉆具等影響，孔壁被往復(fù)掏蝕、破壞，增大了孔壁間隙，造成鉆孔彎曲，甚至導(dǎo)致鉆孔施工中遇到突然卡鉆、鉆進(jìn)負(fù)荷突然增大，鉆桿折斷的事故[18]。

(3) 據(jù)圖8—圖10可知，鉆進(jìn)至兩種巖性界面處和輝綠巖脈夾層處，孔底應(yīng)力值約為1.0×106MPa～5.2×106MPa，影響范圍內(nèi)深部應(yīng)力值為4.2×107MPa～4.7×107MPa，其孔底應(yīng)力成非對稱發(fā)散狀，孔底各方向應(yīng)力增減幅度不同，出現(xiàn)應(yīng)力集中，呈現(xiàn)為各向異性，鉆孔底面各處相應(yīng)的反力大小不一，不同地層不同方向的孔底應(yīng)力也大小不一，致使鉆進(jìn)在偏倒力作用下產(chǎn)生偏斜，從而出現(xiàn)鉆進(jìn)彎曲。

(4) 根據(jù)孔底應(yīng)力圖5—圖10，利用數(shù)值模擬方法合理地揭示了不對稱地應(yīng)力下，導(dǎo)致孔底鉆具傾倒、偏斜，進(jìn)而產(chǎn)生鉆孔彎曲的原因。

(5) 根據(jù)數(shù)值模擬成果，一般在地層巖性變化處、巖脈夾層處更易出現(xiàn)非均勻應(yīng)力，故在現(xiàn)場施工鉆至相應(yīng)層面時(shí)，需對鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，避免出現(xiàn)鉆孔彎曲。

4 結(jié) 論

(1) 本文就大崗山深孔帷幕灌漿孔彎曲情況，從鉆孔彎曲原因、鉆孔彎曲條件進(jìn)行了深入分析，并根據(jù)不同地層情況，利用ANSYS軟件有針對性地建立了不同的鉆孔彎曲數(shù)值模型，進(jìn)行了相應(yīng)的模擬、分析，很好的揭示了孔底非對稱、不均勻應(yīng)力導(dǎo)致帷幕灌漿鉆孔彎曲的原因。

(2) 利用ANSYS軟件進(jìn)行深孔帷幕灌漿鉆孔彎曲數(shù)值模擬，很好地滿足了大崗山水電站深孔帷幕灌漿孔施工中孔斜分析要求，根據(jù)研究結(jié)果采取針對性措施對相關(guān)因素進(jìn)行控制，并注重在地層巖性變化處調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)，將鉆孔偏斜控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，滿足了灌漿孔孔斜要求。根據(jù)研究成果用于指導(dǎo)后續(xù)灌漿孔施工，并為類似水利水電工程提供相應(yīng)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。