孫 琰，莫世遠(yuǎn)，張營營，辛 欣

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

變態(tài)混凝土漿液擴散規(guī)律及注漿孔對比試驗研究

孫 琰，莫世遠(yuǎn)，張營營，辛 欣

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

變態(tài)混凝土成孔注漿的擴散規(guī)律是碾壓混凝土壩迎水面中注漿孔設(shè)計的重要依據(jù)。本文通過對變態(tài)混凝土拌合物進(jìn)行簡單分析，然后建立數(shù)值計算模型，應(yīng)用FLUENT軟件模擬漿液的滲透流動，計算了單排孔注漿和雙排孔注漿模式下，漿液隨計算時間進(jìn)程的擴散半徑，分析了注漿漿液擴散半徑與時間的關(guān)系，以及注漿量與時間的關(guān)系，總結(jié)了漿液擴散的規(guī)律，選出適合的注漿管小孔布置，并運用到具體的工程實例予以驗證。驗證結(jié)果表明注漿漿液擴散半徑的檢測結(jié)果與數(shù)值計算模擬結(jié)果基本相符，其對類似注漿工程中注漿方案的確定具有一定的借鑒意義。

變態(tài)混凝土；注漿孔；數(shù)值計算；擴散半徑

碾壓混凝土壩具有施工快、工期短、節(jié)約水泥用量等優(yōu)點，目前在國內(nèi)水利工程的應(yīng)用范圍越來越廣，碾壓混凝土壩筑壩工藝和質(zhì)量在不斷提高[1]。變態(tài)混凝土的應(yīng)用雖解決了壩體一些部位無法采用振動碾壓的施工問題，但變態(tài)混凝土注漿技術(shù)中仍存在不少急需研究并予以解決的問題[2]，其中就包含變態(tài)混凝土的漿液擴散問題。影響漿液擴散的因素包括注漿壓力大小、漿液參數(shù)、混凝土拌合物參數(shù)、單孔注漿量等因素，若想準(zhǔn)確分析漿液滲透規(guī)律，需要針對各參數(shù)對漿液滲透影響進(jìn)行研究。在工程實際中，若能準(zhǔn)確的掌握漿液擴散規(guī)律，將非常有助于進(jìn)行合理的注漿設(shè)計與施工安排，會大大節(jié)省工程成本，提高注漿效率和準(zhǔn)確率[3-4]。

本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法對變態(tài)混凝土注漿漿液進(jìn)行滲透機理研究，在僅考慮混凝土配合比對漿液滲透的影響下，將對稱分布的單排孔、雙排孔布置進(jìn)行對比試驗與分析，選出合適的孔徑布置方式，不僅能指導(dǎo)注漿設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化，還能指導(dǎo)施工現(xiàn)場的注漿工作，在變態(tài)混凝土快速施工中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 注漿模型漿液擴散研究

利用FLUENT模擬變態(tài)混凝土注漿漿液流動，首先需要建立模型、定義邊界條件、劃分網(wǎng)格，然后在FLUENT軟件里進(jìn)行求解設(shè)置，最后進(jìn)行結(jié)果顯示和處理[5-6]。

注漿施工中漿液的擴散是漿液在拌合物的孔隙中驅(qū)趕里面空氣的過程，采用FLUENT模擬時，將RCC拌合物視為多孔介質(zhì)。漿液最后擴散范圍圖中的中間顏色區(qū)域為漿液體積分?jǐn)?shù)為1的區(qū)域，即為漿液擴散的范圍；其它顏色部分漿液的體積分?jǐn)?shù)為0，即為未擴散到該區(qū)域(可參見圖4、圖6)。

1.1 變態(tài)混凝土注漿數(shù)值模型

1.1.1 計算模型

建立數(shù)值模型是求解的基礎(chǔ)，利用GAMBIT建模。在變態(tài)混凝土注漿施工中，首先需要在碾壓混凝土拌合物中成孔，然后開啟注漿設(shè)備開關(guān)開始注漿。變態(tài)混凝土注漿模型如圖1所示，漿液從注漿頭上面中間的圓孔進(jìn)入注漿管，在壓力作用下，漿液從下面的側(cè)面注漿小孔注入到碾壓混凝土拌合物中。

圖1 變態(tài)混凝土注漿模型

圖1為變態(tài)混凝土注漿模型，尺寸選取為500 mm×350 mm，介質(zhì)為多孔介質(zhì)(碾壓混凝土拌合物)。

對圖1的注漿模型進(jìn)行模擬分析時，考慮整個流場的對稱性，本文選取流場的1/4進(jìn)行分析，這樣可以減少計算的工作量。計算分析網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算分析網(wǎng)格

1.1.2 邊界定義

鑒于注漿模型邊界的特點和漿液流動的性質(zhì)[5]，入口邊界選擇壓力入口，出口邊界選擇壓力出口，這樣計算容易收斂。根據(jù)注漿模型和邊界類型，邊界條件設(shè)置見表1。

表1 邊界條件設(shè)置

表1中的fluid-air，fluid-porous為區(qū)域邊界，可以在FLUENT里面進(jìn)行流場性質(zhì)的設(shè)定，inlet和outlet為進(jìn)出口壓力邊界，symm1和symm2為模型左右側(cè)截面。

1.1.3 計算步驟

根據(jù)建立的模型，把網(wǎng)格劃分和邊界定義好以后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT里面進(jìn)行模擬分析和結(jié)果顯示。根據(jù)FLUENT軟件求解流程，模擬分析采用如下參數(shù)設(shè)置及計算步驟[5]：

(1)求解設(shè)置

表2 求解設(shè)置

(2)迭代設(shè)置

由于在計算之前，不清楚流場中的特征速度，采用嘗試法估計時間步長。設(shè)置時間步長為0.001 s，迭代5000步，即模擬5 s內(nèi)的流動。每個時間步長最多迭代20次。設(shè)置好后，開始迭代計算，隨著迭代計算的進(jìn)行，可以從錄像中看到漿液的變化。

1.2 注漿方案比選

在變態(tài)混凝土設(shè)備研發(fā)中，為了研究設(shè)備的注漿效果，注漿管上的注漿小孔設(shè)置中采取了兩種注漿方案，分別采用了單排孔注漿和雙排孔注漿。因此，對不同的方案進(jìn)行漿液擴散分析，從模型擴散分析上得到更好的注漿方案。

1.2.1 單排孔注漿

注漿管的單排孔設(shè)置見圖3，一周4個孔，對稱布置。按照前面所述的設(shè)置及計算步驟，模擬得到不同時刻的漿液擴散情況如圖4所示。

圖3 單排孔平面圖(單位：mm)

圖4 單排孔注漿的漿液擴散情況

由圖4可以看到，在第1 s時刻，漿液開始注漿擴散，由于注漿設(shè)備有一定的緩沖時間，漿液擴散較少；第2 s時刻，按照球形理論擴散，效果較好，擴散較快；第3 s時刻，擴散較快，按照柱形理論擴散，由于設(shè)置的混凝土表面是邊界，漿液有向上擴散的現(xiàn)象，但在現(xiàn)實注漿過程中，此為冒漿行為；第4 s時刻，漿液擴散較慢，說明注漿漿液快要達(dá)到極限擴散能力。

由以上分析說明，注漿數(shù)值模型在漿液擴散第2 s時刻效果最好。在實際注漿過程中，應(yīng)保持此狀態(tài)，并調(diào)整注漿參數(shù)滿足注漿要求。

1.2.2 雙排孔注漿

注漿管的雙排孔設(shè)置見圖5，一周4個孔，對稱布置。按照前面所述的設(shè)置及計算步驟，模擬得到的不同時刻的漿液擴散情況如圖6所示。

由圖6可以看到，雙排孔跟單排孔最大的區(qū)別在于第1 s時刻和第2 s時刻，后面的注漿效果差別不大。雙排孔的在第1 s是兩排孔同時注漿，更容易擴散，在實際工程注漿過程中，為了滿足不冒漿的條件，雙排孔漿液擴散效果明顯優(yōu)于單排孔。

圖5 雙排孔平面圖(單位：mm)

圖6 雙排孔注漿的漿液擴散情況

2 雙排孔注漿試驗結(jié)果驗證分析

為了驗證數(shù)值計算的真實性，變態(tài)混凝土注漿設(shè)備的注漿效果，在某水電站變態(tài)混凝土注漿施工過程中，在施工現(xiàn)場進(jìn)行了漿液在變態(tài)混凝土中的擴散檢測試驗，攤鋪變態(tài)混凝土?xí)r預(yù)埋設(shè)傳感器，現(xiàn)場注漿及檢測如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場注漿及漿液檢測圖

根據(jù)變態(tài)混凝土施工要求，分別選取碾壓混凝土二級配和三級配，碾壓混凝土拌和物配合比見表3，變態(tài)混凝土漿液配合比見表4。通過粒徑計算，試驗采用的二級配平均顆粒直徑為1.24 cm，三級配平均顆粒直徑為2.09 cm；水泥漿液配合比統(tǒng)一，水膠比為0.5，變態(tài)混凝土漿液方量根據(jù)現(xiàn)場施工要求，做5%的加漿量；注漿壓力根據(jù)注漿設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)置，分別選擇1.5 MPa、1.6 MPa、1.7 MPa、 1.8 MPa、1.9 MPa及2.0 MPa；雙孔注漿量采用2 L和3 L。

表3 碾壓混凝土現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗混凝土參數(shù)表

表4 變態(tài)混凝土漿液配合比

根據(jù)現(xiàn)場注漿情況，檢測得到現(xiàn)場漿液擴散半徑結(jié)果，并與模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比。具體如圖8、圖9所示。

圖8 二級配碾壓混凝土擴散半徑計算值與檢測值對比

圖9 三級配碾壓混凝土擴散半徑計算值與檢測值對比

通過圖8、圖9的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)部分現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)值偏小，由于現(xiàn)場條件并非完全理想狀態(tài)，剛注漿后漿液還未完全擴散，注漿壓力較小時，擴散自然就比較慢，注漿壓力較大，擴散自然就快些。

總的來說，通過數(shù)值模擬計算獲得的擴散半徑與現(xiàn)場檢測的擴散半徑比較接近，它們的誤差最大值均在5%范圍內(nèi)。另外，本試驗使用的傳感器只能檢測到厘米一級，因此存在一些誤差。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)變態(tài)混凝土組合物的特性及不同的注漿小孔方案，本文采用FLUENT多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬漿液的滲透流動。對比分析了不同注漿管小孔的漿液擴散情況，雙排孔擴散效果較好，因此，在變態(tài)混凝土注漿設(shè)備的注漿管小孔選型時，應(yīng)優(yōu)先選擇雙排孔。

(2)在某水電站進(jìn)行了現(xiàn)場注漿試驗，并將變態(tài)混凝土注漿試驗現(xiàn)場檢測的結(jié)果與模擬計算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出檢測結(jié)果與模擬計算結(jié)果基本相符，可以作為注漿設(shè)備的漿液擴散參數(shù)。將求得的參數(shù)輸入到設(shè)備上，并根據(jù)現(xiàn)場施工的不同情況，調(diào)整注漿孔的間排距，以滿足注漿擴散要求。

[1] 邵力群,王志剛,李澤民.碾壓混凝土壩中變態(tài)混凝土施工研究[J].人民黃河,2004(6):44-45.

[2] 黎思幸,魏志遠(yuǎn).關(guān)于變態(tài)混凝土技術(shù)及其研究方向的討論[J].水力發(fā)電,2002(1):27-29.

[3] 楊坪,唐益群,彭振斌，等.砂卵(礫)石層中注漿模擬試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(12):2134-2138.

[4] 楊秀竹,王星華,雷金山.賓漢體漿液擴散半徑的研究及應(yīng)用[J].水利學(xué)報,2004(6):75-79.

[5] 趙雄.變態(tài)混凝土注漿設(shè)備漿液滲透機理研究與應(yīng)用[D].武漢：武漢大學(xué),2011.

[6] 顏曦,劉照,吳旭，等.變態(tài)混凝土施工中漿液的滲透機理[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2014(6):785-788.

變 更 啟 事

2015年4月，經(jīng)黑龍江省新聞出版廣電局審核，國家新聞出版廣電總局批準(zhǔn)，由黑龍江省水利廳主管和主辦的《水利天地》進(jìn)行了系列變更：主辦單位由黑龍江省水利廳變更為黑龍江省水利科學(xué)研究院，刊名由《水利天地》變更為《黑龍江水利》，刊號由CN 23-1031/TV、ISSN 1002-3305變更為CN 23-1594/TV、ISSN 2096-0506。

2015年6月《黑龍江水利》正式創(chuàng)刊出版，為月刊。 《黑龍江水利》全體人員有信心為作者及讀者做好服務(wù)，期望大家對本刊繼續(xù)給予關(guān)心和支持。

Metamorphic concrete grout diffusion regularity and grouting hole contrast test research

SUN Yan，MO Shiyuan，ZHANG Yingying，XIN Xin

(CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

The diffusion law of Metamorphosis concrete into the hole grouting is the important basis of the positive side of the roller compacted concrete dam grouting hole design.Based on a simple analysis about metamorphosis concrete composition,and then create numerical models,using FLUENT software to simulate the penetration of the slurry flow,calculating the slurry diffusion radius of single and double row of holes patterns over the time course,analyzing the relationship between the grout diffusion radius and time and the relationship between grouting quantity and time,summarizing the laws of grouting diffusion,selecting the optimum aperture disposed of grouting pipe,and apply to the specific project examples to be verified,verification results show that the grout diffusion radius of test results and numerical models results are consistent.It has a certain significance for similar grouting project to choice grouting scheme.

metamorphic concrete；grouting hole；numerical calculation；diffusion radius

孫 琰(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為水利工程施工技術(shù)與組織管理。E-mail：1171824169@qq.com

TV543+.15

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2096-0506(2015)05-0017-06