李糧綱,唐平,何維山,張曉靜

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

深礦鉆孔帷幕灌漿的數(shù)值模擬與應(yīng)用

李糧綱,唐平,何維山,張曉靜

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

深礦鉆孔帷幕灌漿受到鉆孔的垂直度、鉆孔灌漿壓力和擴(kuò)散半徑等因素的影響,使得灌漿的技術(shù)難度加大,直接影響帷幕的形態(tài)及防滲效果。采用基于UDEC離散單元程序的數(shù)值模擬方法,對(duì)深孔帷幕灌漿壓力的擴(kuò)散分布及漿液的流動(dòng)擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行模擬,可以為深孔帷幕注漿工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和指導(dǎo)。

鉆孔;帷幕灌漿;數(shù)值模擬

1 概述

深部礦藏的開采工程有可能由于過度抽排地下水使該區(qū)域地下水位嚴(yán)重下降,導(dǎo)致地表干旱,植被枯死,地面沉陷等環(huán)境問題。采用鉆孔帷幕灌漿技術(shù),在地下形成一道防滲帷幕,把礦體開采區(qū)的地下水與周圍隔離開,這樣可以大幅度降低開采區(qū)的抽排水工程費(fèi)用,同時(shí)較好的保護(hù)開采區(qū)周邊的地下水資源和水環(huán)境。因此隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源開采步伐的不斷加快,鉆孔帷幕灌漿技術(shù)在礦山堵水防滲中的應(yīng)用也越來越多。以邯鄲中關(guān)鐵礦帷幕灌漿工程為例,該工程設(shè)計(jì)灌漿孔平均深度為549.5 m,最大設(shè)計(jì)深度810.6 m,地下帷幕形成后預(yù)計(jì)可以每年節(jié)約抽排水費(fèi)5000多萬元。同時(shí)較好的保護(hù)了當(dāng)?shù)氐乃Y源和水環(huán)境。但是由于帷幕鉆孔的深度增加,帷幕灌漿的技術(shù)難度也就增大。鉆孔的垂直度、鉆孔灌漿壓力和擴(kuò)散半徑等因素對(duì)帷幕的形態(tài)及防滲效果有直接關(guān)鍵的影響。

采用數(shù)值模擬的方法,對(duì)深孔帷幕灌漿壓力的擴(kuò)散分布及漿液的流動(dòng)擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行模擬,可以為深孔帷幕注漿工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和指導(dǎo)。

2 數(shù)值模擬方法

UDEC(UniversalDistinct Element Code)是Cun2 dall博士和ITASCA公司開發(fā)的一個(gè)處理不連續(xù)介質(zhì)的二維通用離散元程序。UDEC基于“拉格朗日”算法,能很好地模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。UDEC采用顯示時(shí)間步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方程的求解算法允許進(jìn)行動(dòng)態(tài)或靜態(tài)分析,用于模擬非連續(xù)介質(zhì)(如巖體中的節(jié)理裂隙等)承受靜載或動(dòng)載作用下的響應(yīng)。應(yīng)用于巖土邊坡的漸進(jìn)破壞研究及評(píng)價(jià)巖體的節(jié)理、裂隙、斷層、層面對(duì)地下工程和巖石基礎(chǔ)的影響,還能夠通過模型中的孔隙和不連續(xù)面的流體流動(dòng)進(jìn)行力學(xué)—流體耦合分析,該軟件是巖土工程界一種重要的數(shù)值研究工具。

3 帷幕灌漿模型設(shè)計(jì)與參數(shù)選取

3.1 模型設(shè)計(jì)

深孔帷幕灌漿的深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔(注漿孔)的孔徑,因此可以將其轉(zhuǎn)化為平面二維問題來研究漿液的擴(kuò)散狀態(tài)。在已知巖體、裂隙、地下水、漿液及漿壓等的性能和參數(shù)條件下,對(duì)帷幕灌漿模型做如下假設(shè):

(1)漿液為穩(wěn)定的非壓縮的賓漢姆流體,層流,裂隙內(nèi)流動(dòng)無粘時(shí)變性效應(yīng);

(2)巖塊滲透系數(shù)為0,漿液在巖塊間的裂隙內(nèi)流動(dòng);

(3)裂隙粗糙等寬,為不連續(xù)介質(zhì),滿足庫侖滑動(dòng)準(zhǔn)則(coulomb model),而裂隙的初始變形為約束狀態(tài),在初始應(yīng)力狀態(tài)下的裂隙寬度等于實(shí)測(cè)平均裂隙寬度值,其余參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置[1～3];

(4)不考慮重力的影響,巖體為各向同性彈性材料(elastic model),滿足平面地應(yīng)力狀態(tài)(Sx= Sy),地應(yīng)力大小根據(jù)深度和重力大小進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)換算;

(5)模型中巖體主要裂隙用兩組間距為2.5 m的規(guī)則正交節(jié)理來模擬,在模型中央包含一個(gè)直徑75 mm的圓形鉆孔,如圖1所示。

圖1 UDEC帷幕灌漿數(shù)值模擬建模界面

在模型中距離注漿孔4 m處(hist 7、hist 8)、8 m處(hist 2、hist 3、hist 5、hist 6)及注漿孔處(hist 1、hist 4)設(shè)置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),以便于比較分析灌漿壓力擴(kuò)散情況及便于驗(yàn)證和比較漿液擴(kuò)散距離。

3.2 模型基本參數(shù)選取

為了保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確度,模型基本參數(shù)均盡可能使用實(shí)鉆灌漿試驗(yàn)獲得的數(shù)椐,對(duì)部分無法直接獲取的參數(shù),則通過相關(guān)公式由試驗(yàn)參數(shù)換算求得[4,5]。灌漿模型所取用的各種參數(shù)值詳見表1～3。

表1 漿液參數(shù)

表2 巖體參數(shù)

表3 節(jié)理參數(shù)

由于建立模型時(shí)節(jié)理面為無水狀態(tài),但地下水靜水壓力對(duì)灌漿影響很大,模型必須考慮靜水壓力因素,因此,采用設(shè)計(jì)壓力減去靜水壓力后的壓力值,即有效設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行模擬計(jì)算(見表4)。

表4 設(shè)計(jì)壓力和有效設(shè)計(jì)壓力對(duì)比/MPa

4 數(shù)值模擬分析與實(shí)際應(yīng)用

4.1 裂隙內(nèi)灌漿壓力數(shù)值模擬

4.1.1 灌漿壓力擴(kuò)散圖

采用UDEC對(duì)所建模型及所選參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算,可得到不同孔內(nèi)壓力下的裂隙內(nèi)灌漿壓力擴(kuò)散結(jié)果圖。圖中用線條的粗細(xì)代表裂隙內(nèi)灌漿壓力的大小,線條的長(zhǎng)度則代表灌漿壓力的擴(kuò)散和影響范圍。當(dāng)漿液水灰比為0.5時(shí),灌漿壓力在巖體裂隙內(nèi)的擴(kuò)散分布情況如圖2～7所示。

圖2 P=3.2 MPa時(shí)裂隙灌漿壓力分布

圖3 P=5 MPa時(shí)裂隙灌漿壓力分布

圖4 P=6.5 MPa時(shí)裂隙灌漿壓力分布

圖5 P=7.0 MPa時(shí)裂隙灌漿壓力分布

圖6 P=7.5 MPa時(shí)裂隙灌漿壓力分布

4.1.2 灌漿壓力分析

比較圖2～6中不同孔內(nèi)壓力下的裂隙內(nèi)灌漿壓力擴(kuò)散情況,可知:

(1)壓力的優(yōu)勢(shì)跟裂隙與注漿孔之間的位置關(guān)系有關(guān)。在所有的裂隙中,兩條與注漿孔相交的正交裂隙具有壓力優(yōu)勢(shì)。

圖7 hist 1、hist 2及hist 3處灌漿壓力曲線

(2)隨著距離的增大,灌漿壓力值呈逐漸減小的趨勢(shì),距離鉆孔越遠(yuǎn),裂隙內(nèi)的灌漿壓力也越小。

(3)裂隙內(nèi)灌漿壓力的擴(kuò)散分布范圍與灌漿壓力值成正比,灌漿壓力越大,灌漿壓力分布范圍越大。

(4)灌漿壓力從5.0 MPa增大到6.5 MPa時(shí),壓力的擴(kuò)散范圍無明顯增大,這說明灌漿壓力用于使巖體發(fā)生形變,在裂隙內(nèi)的流動(dòng)對(duì)巖體產(chǎn)生擠壓作用;當(dāng)灌漿壓力增大到7.0MPa時(shí),裂隙內(nèi)的灌漿壓力分布范圍又隨著灌漿壓力的增大而增大,這說明巖體的形變已非常明顯,由于主控裂隙具有較大的壓力優(yōu)勢(shì),其受擠壓變化幅度也相應(yīng)是最大的。

比較分析圖7中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的灌漿壓力關(guān)系可以得出以下結(jié)論。

(1)灌漿壓力在裂隙內(nèi)擴(kuò)散具有時(shí)效性。灌漿開始時(shí)(t=0),孔內(nèi)灌漿壓力為3.2 MPa,距離注漿孔8 m處的裂隙內(nèi)的灌漿壓力為0,0.22 s后孔內(nèi)壓力才擴(kuò)散至該點(diǎn)處,這說明巖體裂隙內(nèi)的灌漿壓力擴(kuò)散的速度與灌漿壓力成正比,與擴(kuò)散距離成反比。

(2)灌漿壓力在裂隙內(nèi)存在消散效應(yīng)。當(dāng)孔內(nèi)灌漿壓力為3.5 MPa時(shí),距離注漿孔8 m處的裂隙內(nèi)的灌漿壓力(hist 6)為0.35 MPa左右,僅為孔內(nèi)壓力的1/10。

(3)對(duì)巖體裂隙內(nèi)某一處而言,其灌漿壓力的增幅逐漸減小,說明灌漿開始階段,漿液在裂隙中的灌漿機(jī)理為滲透灌漿,未對(duì)裂隙產(chǎn)生較大的擠壓作用而引發(fā)裂隙及巖體發(fā)生形變,當(dāng)灌漿壓力增大到一定值后,漿液對(duì)巖體和裂隙產(chǎn)生擠壓、甚至劈裂作用,在這個(gè)過程中觸發(fā)各相應(yīng)的灌漿效應(yīng)而引發(fā)裂隙變形,由于受到變形巖體的反擠壓作用力,裂隙中的灌漿壓力增幅呈遞減趨勢(shì)。

4.2 裂隙內(nèi)漿液擴(kuò)散數(shù)值模擬

4.2.1 漿液流動(dòng)擴(kuò)散圖

當(dāng)漿液水灰比為0.5時(shí),漿液在巖體裂隙內(nèi)的流動(dòng)擴(kuò)散分布情況如圖8～12所示。圖中采用線條的粗細(xì)代表漿液流量的大小,而線條的長(zhǎng)短則代表漿液擴(kuò)散距離。

圖8 P=3.2 MPa時(shí)漿液流動(dòng)擴(kuò)散圖

圖9 P=5.0 MPa時(shí)漿液流動(dòng)擴(kuò)散圖

圖10 P=6.5 MPa時(shí)漿液流動(dòng)擴(kuò)散圖

圖11 P=7.5 MPa時(shí)漿液流動(dòng)擴(kuò)散圖

4.2.2 漿液擴(kuò)散分析

分析圖8～12可知:

(1)在所有的裂隙中,兩條與注漿孔相交的正交裂隙具有絕對(duì)的流動(dòng)擴(kuò)散優(yōu)勢(shì),漿液在其內(nèi)部的擴(kuò)散流動(dòng)要明顯優(yōu)于其他裂隙;

圖12 P=8.0 MPa時(shí)漿液流動(dòng)擴(kuò)散圖

(2)受前述的主控裂隙內(nèi)的灌漿壓力優(yōu)勢(shì)影響,漿液在兩條正交主控裂隙的擴(kuò)散優(yōu)勢(shì)非常明顯,漿液絕大部分沿兩條主控裂隙呈線性流動(dòng)擴(kuò)散;

(3)漿液的擴(kuò)散形態(tài)與灌漿壓力的擴(kuò)散形態(tài)不一致,前者呈線性,而后者則呈似圓狀,二者擴(kuò)散形態(tài)不一致的原因?yàn)?漿液的流動(dòng)跟灌漿壓力和裂隙寬度有關(guān),而裂隙內(nèi)灌漿壓力的擴(kuò)散則受灌漿壓力及裂隙、巖體的受力狀態(tài)控制;

(4)漿液在裂隙中的擴(kuò)散距離與灌漿壓力成正比,隨著灌漿壓力的增大,漿液在裂隙中的擴(kuò)散距離也相應(yīng)變大。

4.3 灌漿試驗(yàn)與理論計(jì)算對(duì)比分析

據(jù)數(shù)值分析結(jié)果圖8可知,灌漿壓力為3.2 MPa的狀態(tài)下,漿液的擴(kuò)散距離已接近8 m,當(dāng)灌漿壓力增為3.5 MPa時(shí),漿液擴(kuò)散距離超過8 m。隨著壓力的增大,在4.0～6.0MPa壓力的作用下漿液均沿主控裂隙面擴(kuò)散流動(dòng),距離超過10 m。水灰比為0.5時(shí),不同方法所得的漿液擴(kuò)散半徑值列于表5。

表5 水灰比為0.5時(shí)各方法所得的漿液擴(kuò)散半徑值比較

根據(jù)以上分析,可以推斷:

(1)中關(guān)鐵礦深孔帷幕灌漿施工中,選用試驗(yàn)所采用的灌漿壓力值,可以使?jié){液擴(kuò)散半徑達(dá)到8 m,即可以采用12 m的設(shè)計(jì)孔距進(jìn)行灌漿施工;

(2)從對(duì)水灰比為0.5的漿液擴(kuò)散流動(dòng)分布的模擬可看出,數(shù)值模擬結(jié)果與前期灌漿試驗(yàn)值基本相符,中關(guān)鐵礦灌漿采用的漿液最小水灰比為0.5,可推斷在相同的灌漿壓力下,水灰比大于0.5的漿液其擴(kuò)散半徑將大于8 m的試驗(yàn)值。

但是,在數(shù)值模型中,漿液沿兩主控裂隙表現(xiàn)為線性擴(kuò)散流動(dòng)為主,這與實(shí)際情況有出入[6],在實(shí)際的灌漿過程中,漿液在巖體裂隙空間中的流動(dòng)形態(tài)是非常復(fù)雜的。此外在灌漿模型中將裂隙簡(jiǎn)化為等寬、等間距的規(guī)則形態(tài),這也使數(shù)值分析與實(shí)際情況產(chǎn)生誤差。

5 結(jié)論

(1)帷幕灌漿數(shù)值模型能較好的對(duì)灌漿壓力擴(kuò)散分布及漿液的流動(dòng)擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行模擬,直觀形象的將深孔帷幕灌漿的壓力擴(kuò)散、漿液擴(kuò)散規(guī)律反映出來,對(duì)帷幕灌漿試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析;

(2)根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)條件與前期試驗(yàn)所獲取的各項(xiàng)參數(shù)建立帷幕灌漿數(shù)值模型,可以對(duì)各階段、各分區(qū)、各鉆孔的灌漿效果進(jìn)行對(duì)比分析,可以為下一階段的灌漿試驗(yàn)或施工確定合理的灌漿參數(shù)提供指導(dǎo)、為類似的灌漿工程提供建模初選參數(shù)和參考計(jì)算,因此,數(shù)值模擬方法在帷幕灌漿的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及施工當(dāng)中具有非常重要的理論意義;

(3)由于深孔灌漿的地質(zhì)水文條件及漿液性能的多變性和復(fù)雜性,目前灌漿理論計(jì)算公式受諸多理想假設(shè)條件的限制,其計(jì)算準(zhǔn)確性與工程適用性受到較大影響。深孔帷幕灌漿機(jī)理有待開展進(jìn)一步深入的研究。

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Numerical Simulation of Curta in Grouting in Deep Borehole and the Application

LI Liang-gang,TANG Ping,HE Wei-shan,ZHANG Xiao-jing(Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China)

Influenced by the facts of verticality of the borehole,grouting pressure and diffusion radius,technical difficulty is increased in grouting,which directly influences the curtain shape and seepage control effect.Based on the numerical simulation method of Universal Distinct Element Code,pressure distribution and grout diffusion in deep hole are s imulated, which can give reference and guidance to the design and construction for curtain grouting.

borehole;curtain grouting;numerical simulation

TU472

A

1672-7428(2010)12-0036-05

2010-09-10

李糧綱(1961-),男(漢族),湖南長(zhǎng)沙人,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)教授,地質(zhì)工程專業(yè),博士(后),從事地質(zhì)工程教學(xué)與科研工作,湖北省武漢市魯磨路,lilog@cug.edu.cn。