汪文萍 蔣買勇 曹磊

摘要：“稀漿脈動(dòng)劈裂、膏漿脈動(dòng)壓密”控制注漿技術(shù)是巖溶堤壩防滲加固的有效手段之一，但該技術(shù)所采用的稀漿和膏漿在不同時(shí)段的擴(kuò)散機(jī)制尚不明確?；谙{流變方程和窄縫擴(kuò)散模型、膏漿圓形孔擴(kuò)張理論，推導(dǎo)了脈動(dòng)壓力下稀槳劈裂巖溶填充物的槳液擴(kuò)散方程和膏槳壓密膠結(jié)物的漿液擴(kuò)散方程。在此基礎(chǔ)上，將擴(kuò)散方程運(yùn)用到某水庫巖溶注漿工程。實(shí)踐表明，推導(dǎo)的巖溶堤壩控制注漿漿液擴(kuò)散方程能有效指導(dǎo)工程實(shí)踐，注漿后的堤壩整體防滲效果得到顯著提高，滲透系數(shù)均降至5.1×10^-6cm/s，結(jié)石體強(qiáng)度可達(dá)2MPa。

關(guān)鍵詞：巖溶;堤壩;控制注漿;擴(kuò)散機(jī)制;工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TV543⁺.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

巖溶是一種因地下水對(duì)可溶性巖石（如碳酸鹽類、硫酸鹽類、鹵素類等）進(jìn)行長時(shí)間的溶蝕、沉積、沖蝕等物理化學(xué)綜合作用而產(chǎn)生的復(fù)雜地貌現(xiàn)象[1-3]。我國巖溶分布極為廣泛，巖溶區(qū)面積約占我國國土面積的1/5。由于巖溶的形狀、分布等具有諸多不確定性，填充物種類較多，且?guī)r溶裂隙常與周邊地下水相互貫通，水力環(huán)境極為復(fù)雜，因此廣泛分布的巖溶對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行管理等造成了極大的危害[4]。我國20世紀(jì)五六十年代在巖溶區(qū)建造了大量的堤壩工程，受當(dāng)時(shí)施工水平的限制，大部分巖溶堤壩存在諸多先天不足，而隨著運(yùn)行年限的增長，滲漏問題十分突出，甚者存在潰壩等風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。目前，工程上常采用注漿手段對(duì)巖溶堤壩進(jìn)行防滲加固處理，而注漿工藝也較多，如袖閥管注漿法[7-9]、循環(huán)式注漿法[10-11]、孔口封閉注漿法[12-13]、模袋注漿法[14-15]等。實(shí)際注漿施工過程中常出現(xiàn)注漿量大、淺層易冒漿以及施工周期長等諸多問題，導(dǎo)致整體注漿效果差，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。針對(duì)堤壩巖溶注漿的諸多難題，筆者提出了一種適合巖溶堤壩高效控制注漿的新工法“稀漿脈動(dòng)劈裂、膏漿脈動(dòng)壓密”注漿[16]，即先采用脈動(dòng)壓力灌注稀漿劈裂巖溶充填物以及周圍巖土體，再采用脈動(dòng)壓力灌注膏狀漿液壓密充填物，實(shí)現(xiàn)復(fù)合式注漿，達(dá)到更好的防滲加固效果，并將該技術(shù)成功應(yīng)用于多項(xiàng)巖溶堤防等防滲加固工程。但以往研究?jī)H就該新技術(shù)的施工流程、特點(diǎn)及應(yīng)用等方面進(jìn)行了探討，尚未對(duì)漿液在脈動(dòng)壓力下不同時(shí)段內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行深入分析，而漿液擴(kuò)散機(jī)理的研究對(duì)于該技術(shù)的優(yōu)化和推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

鑒于此，筆者在總結(jié)新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)注漿經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討該技術(shù)的漿液擴(kuò)散機(jī)制，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證該法的可行性，以期為該工法的大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)。

1 巖溶堤壩高效控制注漿工藝及材料

1.1 工藝流程

1.1.1 成孔與安裝注漿機(jī)具

按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行孔位布置，布置后進(jìn)行鉆孔放樣、定位和標(biāo)記。采用200型地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，開孔直徑為110mm，終孔孔徑不小于75mm，并采用泥漿護(hù)壁，跟管鉆進(jìn)。待成孔完成后進(jìn)行孔內(nèi)沖洗直至出清水，下入注漿管，安裝好注漿機(jī)具。

1.1.2 稀漿脈動(dòng)劈裂

按設(shè)計(jì)要求配制好稀漿（黏土水泥漿液），調(diào)設(shè)好脈動(dòng)注漿泵的脈動(dòng)注漿參數(shù)，打開脈動(dòng)泵進(jìn)行劈裂注漿，漿液在脈動(dòng)壓力作用下重復(fù)劈裂巖溶內(nèi)充填物，并形成樹枝狀膠結(jié)物。注漿過程中，脈動(dòng)頻率一般控制在20～30次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度宜控制在0.5m左右。

1.1.3 膏漿脈動(dòng)擠密

按設(shè)計(jì)要求配制好膏漿（黏土水泥固化漿液），調(diào)設(shè)好脈動(dòng)注漿泵的脈動(dòng)注漿參數(shù)，打開脈動(dòng)泵進(jìn)行擠密注漿，漿液在脈動(dòng)壓力作用下重復(fù)擠密巖溶內(nèi)樹枝狀膠結(jié)物，發(fā)生多次濾水過程，不斷提高結(jié)石體強(qiáng)度。注漿過程中，脈動(dòng)頻率一般控制在8～15次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度宜控制在1m左右。

1.1.4 封孔結(jié)束注漿

自下而上全孔段注漿完成后，立即對(duì)注漿孔進(jìn)行封孔。

1.2 可控漿液研制及性能

通過室內(nèi)大樣本試驗(yàn)，研制的可控稀漿由黏土原漿和普通硅酸鹽水泥組成，黏土原漿相對(duì)密度為1.35，水固比為1：1～2：1;可控膏狀漿液由黏土原漿、普通硅酸鹽水泥以及固化劑組成，黏土原漿相對(duì)密度為1.25，水固比為1：1，固化劑摻量為2%。配制的可控漿液物理力學(xué)性能見表1，漿液樣品見圖1。

2 高效控制注漿漿液擴(kuò)散機(jī)制

2.1 稀漿脈動(dòng)劈裂時(shí)段漿液擴(kuò)散機(jī)制

2.1.1 基本假定

依據(jù)高效可控注漿技術(shù)特點(diǎn)與可控稀漿性能，提出如下基本假定：①巖溶充填物和注入的可控稀漿均為均質(zhì)體，符合各向同性要求，且本文僅探討一條漿脈劈裂;②可控稀漿在注漿擴(kuò)散過程中保持賓漢流體流變規(guī)律不變，且忽略稀漿的流變時(shí)變性;③可控稀漿在充填物內(nèi)為柱狀擴(kuò)散，擴(kuò)散過程符合層流流動(dòng)要求。

2.1.2 擴(kuò)散機(jī)制及擴(kuò)散過程

依據(jù)上述假設(shè)，選取半徑為σ/2的單位長度裂隙模型進(jìn)行分析，令稀漿兩端注漿壓力分別為P+dP和P，υ_P為稀漿流速，τ為可控稀漿的剪切應(yīng)力，則可控稀漿脈動(dòng)劈裂擴(kuò)散機(jī)制見圖2。

由可控稀漿脈動(dòng)劈裂的擴(kuò)散機(jī)制可知，可控稀漿在充填物內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，其流變方程為式中：τ₀為可控稀漿的初始剪切應(yīng)力;η為可控稀漿的黏度;dr為裂隙段長;dv/dr為剪切速率。上述各變量可通過流變儀測(cè)試獲得。

由文獻(xiàn)[17-18 ]和假定條件可知，可控稀漿在充填物中擴(kuò)散的平均流速v滿足式中：P為脈動(dòng)壓力;P為設(shè)計(jì)壓力;t為注漿時(shí)間;t₁為脈動(dòng)注漿段;t₂為脈動(dòng)絮凝段;d為劈裂縫的寬度;y為可控稀漿未受到剪切作用時(shí)的裂縫寬度，本文考慮稀漿流變模型取y=d/3。

經(jīng)一定注漿時(shí)間t后，可控稀漿注漿量為

Q=vAt=lA（4）式中：A為可控稀漿劈裂充填物的劈裂縫面積;l為可控稀漿在充填物劈裂縫內(nèi)的擴(kuò)散距離。

值得注意的是，脈動(dòng)絮凝段雖然注漿壓力為零，但此時(shí)注漿量仍固定，故注漿總量為整個(gè)注漿時(shí)間段內(nèi)的漿液量。

聯(lián)立式（1）～式（4），并結(jié)合一定的邊界條件，即當(dāng)脈動(dòng)注漿壓力P達(dá)到充填物的起劈壓力尸，時(shí)，可控稀漿開始在充填物內(nèi)發(fā)生脈動(dòng)劈裂，此時(shí)漿液擴(kuò)散距離為r₁，則起劈壓力P₁滿足式中：δ₃為充填物圍巖壓力;φ為充填物內(nèi)摩擦角;c為稀漿的黏聚力。

若經(jīng)過注漿時(shí)間Δt后擴(kuò)散半徑為r₁'+r'，脈動(dòng)壓力為P₂，將式（2）代入式（4）并分離變量后有

實(shí)際計(jì)算時(shí)，注漿壓力應(yīng)按式（3）分時(shí)段計(jì)算，得到漿液擴(kuò)散距離r₁'、r₂'、…、r_n'，其中n滿足

將計(jì)算得到漿液擴(kuò)散距離r₁'、r₂'、…、r_n'后進(jìn)行累加即為脈動(dòng)壓力下稀漿在充填物內(nèi)的擴(kuò)散距離。

2.2 膏漿脈動(dòng)壓密時(shí)段漿液擴(kuò)散機(jī)制

2.2.1 基本假定

依據(jù)高效可控注漿技術(shù)特點(diǎn)與可控膏漿性能，提出如下基本假定：①充填膠結(jié)物符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;②可控膏漿在注漿擴(kuò)散過程中保持賓漢流體流變模型不變，且忽略膏漿的流變時(shí)變性;③脈動(dòng)壓密注漿過程符合圓形孔擴(kuò)張理論。

2.2.2 擴(kuò)散機(jī)制及擴(kuò)散過程

依據(jù)上述假設(shè)，另設(shè)圓形孔初始半徑為R₀，擴(kuò)張后半徑為R，注漿壓力為P，孔內(nèi)壓力為P_R，徑向正應(yīng)力為σ，軸向正應(yīng)力為σ_θ。分析可控膏漿脈動(dòng)擠密擴(kuò)散機(jī)制，見圖3。

由可控膏漿脈動(dòng)壓密的擴(kuò)散機(jī)制可知，漿液擴(kuò)散符合圓形孔擴(kuò)張理論，考慮力學(xué)平衡則有

彈性區(qū)滿足廣義虎克定律：式中：ε_r為徑向正應(yīng)變;ε_θ為軸向正應(yīng)變;E為材料彈性模量;v為材料泊松比。

根據(jù)假設(shè)條件①可知，充填膠結(jié)物屈服條件為

根據(jù)其他假設(shè)條件，將式（11）代入式（9）得

考慮式（11），若σ_r=P時(shí)r=R₀，則有

結(jié)合一定的邊界條件，且圓形孔擴(kuò)張后體積變化等于彈性區(qū)與塑性區(qū)體積變化之和，則可確定注漿孔內(nèi)最終壓力P_R和最終擴(kuò)散半徑R：其中：式中：△為膠結(jié)物初始應(yīng)力;Q為注漿量;C為待定常數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)注漿量Q、讀取壓力表讀數(shù)P_R和注漿時(shí)間T，即可計(jì)算出分時(shí)段計(jì)算漿液擴(kuò)散距離R₁、R₂、…、R_n，其中n滿足

計(jì)算得到漿液擴(kuò)散距離R₁、R₂、…、R_n后進(jìn)行累加，即為脈動(dòng)壓力下膏漿在巖溶內(nèi)的擠密擴(kuò)散距離。

2.3 公式適用范圍

根據(jù)前文假設(shè)條件可知，巖溶堤壩高效可控注漿漿液擴(kuò)散公式均是在漿液符合層流流動(dòng)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知，可控漿液為賓漢流體，其雷諾數(shù)Re<2000時(shí)為層流。

3 工程應(yīng)用

某水庫副壩地基巖體礫巖中的礫石成分以灰?guī)r為主，膠結(jié)物以鈣質(zhì)為主，較易溶蝕，溶隙、溶孔、溶洞較為發(fā)育，溶洞內(nèi)的充填物長期受水頭壓力的滲流作用，造成壩基塌陷和滲漏。為此，對(duì)1#副壩基礎(chǔ)分部位采用單排和雙排帷幕灌漿施工處理，帷幕鉆孔位于壩軸線上游2.6m，帷幕伸人基巖以下不小于3m。前期采用常規(guī)注漿工藝發(fā)現(xiàn)注漿效果差，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故采用本文提供的新技術(shù)進(jìn)行注漿處理。

3.1 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)表明，注漿壓力設(shè)計(jì)為1.5～2.0MPa，采用本文提出的理論模型計(jì)算得到如下設(shè)計(jì)方案：布孔設(shè)計(jì)為梅花形3排孔，孔距1.0m、孔排距1.0m，稀漿脈動(dòng)劈裂時(shí)脈動(dòng)頻率控制在25次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度控制在0.5m;膏漿脈動(dòng)擠密脈動(dòng)頻率控制在12次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度控制在1m?，F(xiàn)場(chǎng)施工的可控稀漿為黏土水泥穩(wěn)定漿液，其中黏土原漿相對(duì)密度為1.30，水固比2：1;可控膏狀漿液為黏土水泥固化漿液，其中黏土原漿相對(duì)密度為1.20，水固比0.8：1.0，固化劑摻量占水泥摻量的2%。

3.2 結(jié)果分析

注漿過程中未發(fā)現(xiàn)冒漿串漿現(xiàn)象，且涌水減少效果明顯，后期基本無滲漏。施工結(jié)束后，采用鉆孔取芯和注水試驗(yàn)進(jìn)行效果檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，土石壩整體防滲效果得到顯著提高，檢查孔滲透系數(shù)均降至5.1×10^-6cm/s，所取芯樣基本完整，結(jié)石體強(qiáng)度可達(dá)2MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié)語

考慮現(xiàn)有巖溶堤壩注漿工藝的不足，提出了一種可控注漿新方法，并針對(duì)該方法的特點(diǎn)，基于稀漿流變方程和窄縫擴(kuò)散模型、膏漿圓形孔擴(kuò)張理論，研究了不同漿液在不同時(shí)段內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)制，推導(dǎo)了脈動(dòng)壓力下稀漿劈裂巖溶填充物的漿液擴(kuò)散方程和膏漿壓密膠結(jié)物的漿液擴(kuò)散方程。該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，易于在巖溶堤壩注漿設(shè)計(jì)中應(yīng)用，采用推導(dǎo)的注漿公式指導(dǎo)工程實(shí)踐，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的可行性，注漿后土石壩整體防滲效果得到顯著提高，滲透系數(shù)均降至5.1×10^-6cm/s，結(jié)石體強(qiáng)度可達(dá)2MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。但脈動(dòng)劈裂和壓密注漿過程十分復(fù)雜，文中在推導(dǎo)過程中均作了一定假設(shè)，諸多問題尚未考慮，如漿液壓濾效應(yīng)、劈裂縫的擴(kuò)縫效應(yīng)等，有待進(jìn)一步深入研究。

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