毕业设计（论文）-裂隙岩体注浆模型研究.doc

裂隙岩体注浆模型研究第一章 绪论1.1 绪 言天然岩体内分布着大量的裂隙和孔隙。一般地，岩体中的孔隙尽寸较小但数量较多，而裂隙数量少但其渗透性好，因此在岩体渗流中对渗流起控制作用的主要是裂隙。特别是对于注浆工程，由于注浆浆液都为比较粘稠的悬浮液，在孔隙中几乎是不可渗，因此我们可假定在岩体注浆中，浆液只在岩体裂隙网络中渗流。注浆是岩土工程中一门专业性很强的学术分支，用注浆处理各种岩土工程问题，已成为常用的方法。虽然注浆只是在最近几十年才成为一种正式的施工技术，但由于它省工、有效，因此在各工程领域中得到了广泛的应用。目前注浆技术已经发展到相当成熟的阶段，但用注浆方法处理有关的岩体介质水渗透问题，在理论分析、实验手段、注浆工艺、施工技术及设计方法、数据处理等方面仍然存在着很大的不足。各种岩土工程介质性质复杂，类型繁多。由于它的复杂性及研究对象的广泛性，目前仍有很多基础和应用性的问题有待进一步研究解决。从粒状砂砾、页岩、孔隙砂岩、灰岩到花岗岩和大理岩，各种岩土介质的性质千差万别，各不相同。即使对同一种岩土体来讲，其性质也因寸、因地而异，这种差异是由于各种岩土材料有着不同微观、细观和宏观结构所造成的。作为注浆施工对象的岩土介质包括土体和岩体两大类。土体(土壤)是疏松的形成年代较短的沉积物。它在外力作用下，依靠当地的应力张量凝聚在一起。土壤是粒状介质，由任意排列的不同大小和形状的颗粒所组成。颗粒相互接触，其间形成不同形状和大小的相互连通的孔隙。土壤的孔隙率一般在0.150.5之间。孔隙和孔隙率的大小决定了土壤介质的渗透性。岩体的性质较土体要复杂得多。岩体可视为由岩石基质和各种交切结构面所组成的地质体。岩石是坚固的大致均质的物质，它是由永久性成岩作用、结晶和分子粒间作用力粘结在一起的，与当地的应力张量无关。通常其孔隙很小、孔隙率很低(一般在0.010.1之间)，对水泥这样的颗粒注浆材料，是很难注入岩石孔隙中的：且孔隙几乎是孤立的，不能提供可以渗水（浆）的相互连接的通道网络。因此，岩石基质的渗透性通常可以忽略。岩体的渗透性主要是由各种地质作用产生的断裂、节理和裂隙等结构而的渗透性决定的。即岩体透水性的大小，主要与岩石风化破碎和裂隙发育程度、有无断层通过以及岩溶是否等有关。结构面的赋存特征是影响岩体注浆工程效果的主要因素。对注浆而言，土体和岩体主要差别是它们的孔隙率特征和在注浆压力下，浆液渗过它们的方式。二者的注浆效果都有各自因时因地不同的性质，它们的容重、强度、渗透性、和变形性是易变的。为进行正确的注浆设计与施工，需深入了解土壤和岩体的性质以便选择适宜的注浆工艺和注浆材料。为解决岩体介质渗透问题而建立各种注浆材料的流变特征模型是本文的研究对象。岩体注浆堵水的目的是形成一道防渗帷幕，以控制渗漏，减少岩体的渗流量和降低其场应力，保证现场正常的施工生产。岩体注浆堵水质量很大程度上取决于对施注岩层情况的了解是否全面准确。因此在注浆前，有必要进行全面的地质勘探调查，这涉及到有关岩土力学、水力学、地质、水文地质等多门学科。进行勘探的方法有：利用己开挖的沟槽和平硐，直接深入了解岩体进行变形和渗透性的现场试验等。所作的工作应包括：岩体断裂系统的测址和勘探，如层面、节理和裂隙，以及其中的充填物等；岩体力学性能测试；含水层位置、厚度及其导水性、渗透性的确定；地下水水位特性及其化学成分的调查：区域内井、泉、地下河、落水洞等的勘探等。在勘探资料不完各的情况下，应注意参考在相似的地质条件下已施工的一些工程实例，对注浆中出现的各种情况进行具体问题具体分析。1.2 注浆技术概述1.2.1 注浆定义注浆(grouting)，也称灌浆，就是将具有充填胶结性能的材料配成浆液，以泵压为动力源，用注浆设备通过注浆管将其注入到地层，浆液以渗透、填充、劈裂和挤密等方式扩散，赶走土颗粒问或岩体裂隙中的水分和空气后占据其位置，由于浆液的凝结、硬化，将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个它体，形成一个结构新、强度大、防水抗渗性能高和化学稳定性良好的“结石体”，达到对地层加固或堵水的目的，改善受注地层的水文地质和工程地质条件。注浆主要包括堵水和加固两个方面。注浆堵水常以注浆后涌水量的减少程度来评价注浆效果，并以方便施工为原则；评价注浆加固效果，可检验注浆后岩土体抗压强度，在施工过程中还可以利用声波测试强度的改善情况，以及在施工中进行位移观测等。注浆的主要目的是：l.防渗：降低岩土渗透性，减少渗流量，提高地层的抗渗能力，降低孔隙水压力。2.堵漏：截断渗透水流。3.加固：提高岩土的力学强度和变形模量加强岩土的整体性。4.纠偏：使已发生不均匀沉降的建筑物恢复原位。1.2.2 注浆技术的发展历程、现状及趋势1.2.2.1 注浆技术发展历程1234从1802年法国人夏尔斯贝林尼(charlesberigny)用自己设计的木制冲击泵将石灰和粘土注入地层开始发展到今天，注浆技术已有近二百年的历史。其中有影响的事件有：1862年英国研制硅酸盐水泥而成为注浆的主要材料：1864年阿里因普润(arinpring)在矿山竖井中首次应用水泥注浆技术并取得成功；1886年英国研制成功压缩空气注浆机，促进了水泥注浆的发展；18841887年问英国和德国先后使用化学药品固砂和硅化注浆，并用于建桥固砂工程，开了化学注浆的先河；1909葡，德国和比利时先后获得水玻璃注浆材料和双液单系统注浆法专利；1920年，荷兰工程师乔斯顿(joeston)首次论证了化学浆液的可靠性，并创造了水玻璃一氯化钙双液系统两次压注的“乔斯顿注浆法”，使水玻璃注浆法得以广泛的应用；二十世纪四十年代以来，随着化学工业的飞速发展，各种新的化学浆材和改性水泥材料的相继问世，先后研制出各种性能的木质素类、脲醛树脂类、丙烯酰胺类、聚胺酯类等有机高分子化学浆材，如英国研制的geoseal树脂浆，原苏联的粘土水泥浆加入特制附加剂的综合注浆法，日本试制出聚胺酯一塔克斯(tacss)注浆材料等；法国发明了先进的套管注浆法；处理软土地基的喷射、旋喷、定喷法工艺先后涌现。这些将注浆研究推到了新的高度。1982年2月在美国召开了土木工程注浆国际会议，1982年4月在匈牙利不达佩斯也召开了国际矿山治水学术讨论会，各种地区性会议和各种注浆研究机构更是层出不穷，国际及各地区的学术交流与合作有力地促进了世界注浆工作的发展。在我国，注浆技术起步较晚，本世纪五十年代初才填补理论及其应用的国内空白，注浆最早被应用于井壁注浆封水。四十年来，我国的注浆技术应用日趋广泛，并在工程应用基础上逐步发展了自己的注浆理论、注浆工艺、开发了一系列无机和有机的注浆材料，如1964年研制成功mg-646新型化学浆液：水利部华东勘测设计院对丙烯、改性水玻璃和lw型水溶性聚胺酯化学注浆材料和应用均作过研究：上海隧道公司研究了高压旋喷工艺：东北大学等单位研究了改性铬木素，以降低毒性，扩大应用。从地基到坝体；从裂隙岩层到喀斯特溶洞：从岩溶大水治理到流沙层的固砂：从地下水的预先防治到多年淹井的恢复生产；从局部注浆堵水到大型帷幕治水；从各种地下工程补强到露天边坡稳定，依靠注浆手段，我国解决了数以百计的现场称为“拦路虎”的过去不能施工或难以施工的地下水害和基础加固难题，其中有些注浆工程己达到国际先进水平。1.2.2.2 注浆技术发展现状及展望注浆技术主要包括注浆材料、注浆工艺和注浆设备三部分。注浆技术的主要研究成果和发展方向不外乎以下三方面：研究新的、可靠的、无污染的、廉价的新浆材；研究新的注浆工艺和设备；研究精度高、可靠的监测设备。l 注浆材料注浆材料是注浆技术的重要组成部分。原则上来讲，只要能配置成只有流动性和凝胶性的原料都可以作为注浆材料，如：水泥、粘土、沥青、水玻璃、硅酸盐、丙烯酰胺、纸浆废液、聚胺酯、各类树脂等。土木及岩土工程师通常根据使用的原料简单地分为：“水泥-粘土浆”和“化学浆”，更精确的分类应为“颗粒浆液”和“溶液浆液”5。颗粒浆液是由水泥及粘土等颗粒状材料配置而成。溶液浆液则是以溶液中两种或两种以上化学物质产生化学反应来形成凝胶体。水泥浆液至今仍是应用最广泛的主要注浆材料。它来源广、价格便宜、粘结力强、结石体强度高，无毒无污染，运输储存方便且注浆工艺简单。但凝胶时间较长且难以控制，不能用于具有很大流速的地下水；由于颗粒粒径达585m，在中、细、粉砂层(粒径小于1.1mm)、细裂隙(宽度小于0.1mm)及渗透系数低于10-2cm/s的地层中注浆非常困难；具有一定的沉淀析水性，结石率一般都小于100，在防渗堵漏等工程中应用受到限制。为提高水泥浆的可注性，目前关于小粒径超细水泥的研制是一个热点。粘土具有高分散性和可注性，粘土浆虽不具各较强的粘结性和较强的传递作用力，但可依靠具有触变效应的弱凝胶作的形成来起作用。它货源广、造价更低、无毒无污染，因此开发研究粘土水泥的综合汁浆法具有重要意义，它有可能成为化学浆液的替代品。化学浆液包括水玻璃类浆液、丙烯酰胺类浆液、木质素类浆液、聚胺酯类浆液、环氧树脂类浆液等多种浆材。化学浆液具有粘度低、可注性好、凝胶可控、抗渗性及耐久性能好等优势，但抗压强度低、成本高、工艺要求严格且易污染环境，这限制了它的使用范围。在基岩注浆中，使用水泥注浆最为广泛，水泥粘土注浆多用于松散层的防渗注浆和对强度要求不高的基岩注浆。化学灌浆在大面积基岩注浆方而尚未被广泛采用，一般用来解决水泥注浆不能灌注或用于修补水工建筑物某些缺陷和某些特殊注浆寸采用。国内外现已研制出了数十种注浆材料，但使用起来还不尽如人意。无论在现在还是将来，寻找一种渗透性强、价格便宜、结石体强度高、凝胶准确可控、耐久性好，且无毒无污染的优良注浆材料，都是人们在注浆材料研究中的追求目标。l 注浆方法和工艺采用注浆法堵水或加固岩土时，无论是自地表还是自地下工作，无论是预注浆还是后注浆，浆液材料都是经过注浆孔压注到地层的孔隙或裂隙中去。由注浆孔向岩石或土壤的压注方式基本上有三种6：沿注浆孔柱面方式注浆；由注浆孔底部方式注浆；按不完整孔方式注浆。如图l-l所示。图1-1 主要注浆方式a 沿柱面注入; b 底部注入; c 按不完整孔方式注入目前，关于注浆方法的分类没有一个统一准则。若按注浆工程的地质条件、浆液的扩散能力和渗透能力可分为以下几类，见表l-11。表1-1 注浆方法分类表方法名称内容适用范围充填注浆法具有大裂隙、洞穴的岩层或井壁后空洞的注浆。大孔洞、溶洞等。透注浆法在不改变地层结构和颗粒排列的前提下，把浆液充填到岩土地层裂隙或孔隙中，向地层深处渗透的注浆方法。砂层注浆压密注浆法用较高的压力注入浓度较大的浆液，使浆液在注浆压力作用下挤入地层，浆液呈脉状或条状胶结地层。粘土体中注浆劈裂注浆法在低渗透性的地层注浆中，在较高的压力作用下，浆液先后克服地层内的初始应力和抗拉强度，使其在地层中发生水力劈裂作用，从而破坏或扰动地层，使原来的孔隙和裂隙扩大，促使浆液的可注性和扩散范围扩大。中细粉砂岩中注浆电动化学注浆在施工中预先在需要加固的地层中把两个电极按一定的间距置于地层中，使注入压力和电渗方向一致。电渗作用下，通电区域形成注浆通道，从而使浆液随之注入地层中。地基处理注浆由于建设工程的需求，近年来，注浆方法发展很快，种类繁多，除上述介绍的几种典型注浆法外，注浆法从脉状注浆、渗透注浆发展到应用多种材料的复合注浆法或综合注浆法；从无向压浆到通电、抽水、压气、喷射、旋喷等多种诱导注浆法；从钻杆注浆、过滤管注浆发展到多种形式的双层管瞬凝注浆法；通过预处理以及孔内爆破等方法，大大提高了浆液的可注性，扩大了注浆的应用范围。根据所采用的注浆方法，对于各种复杂多变的注浆地层应采用相应的合理注浆工艺和注浆材料，注浆施工的工艺流程包括浆液制备、钻孔、钻孔冲洗、压水试验、注浆和质量检查等多项工作。岩体堵水时的注浆布孔，对大型工程常采用单排或多排布孔，对中小型土坝工程，可抓住主要矛盾，重点先处理集中渗漏带。钻孔时，由疏到密，依次注浆，并根据渗漏的具体情况布置。对单孔吸水量较少的地段，孔要布置得稀一些：对单位吸水量大的地段，孔要布置得密一些，这样可减少注浆工程量，成本可以降低。对于地质情况了解较少时，可采用均匀布孔。在注浆工艺中，注浆参数是影响注浆效果的重要因素。在注浆过程中注浆参数是动态变化的，如何对其进行准确测试并根据不同的地层条件变化进行随时调节，一直是注浆领域所关注的重点之一，应当大力加强这项工作。l 注浆设备为完成注浆施工的注浆设备包括注浆泵、钻孔机械、混合器、搅拌机、止浆塞和配套仪器等，注浆设备是制备和输送浆液的系统，是使浆液进入地层裂隙和孔隙的动力源。在注浆设备现代化方面，注浆设各的发展方向是实现注浆设备的轻小型化、机组化、系列化、专用化和自动化。其目的是形成集钻注为一体的注浆机组，配合自动化控制监测，实现一整套自动注浆系统。集中控制，自动记录，多台泵，规模大等是其特征。l 注浆监控与检测注浆施工属于隐蔽性作业，早期的注浆施工过程没有做更多的监控工作。随着现代技术的发展，人们把电算技术应用到注浆中。在一些比较发达的国家，己较为普遍地在注浆施工中设置电子计算机监控系统，用来记录收集和处理注浆过程中诸如注浆压力、流量、浆液粘度等重要数据，以便人们能更好地控制注浆工序和了解注浆过程中的各种注浆规律。俄罗斯、日本、英国、法国、美国等国的注浆监控工作已在一定程度上实现了机械化和自动化，可由地面注浆站控制2。我同注浆施工过程中的监控比较落后，一般只能从注浆设备中获取部分注浆参数，而无法按照注浆过程中参数的变化情况来调节注浆工艺过程，在这方面还有待于进一步研究和发展。注浆效果检测的方法很多，按检测地点可分为现场检测试验和实验室试验。现场检测试验包括：射线及放射线法：取样试验法：示踪染色追踪法；电探及声波探测法：透水、透气试验：钻孔压水(气)、抽水试验：钻孔内荷载试验：钻孔深部位移测定；贯入试验等。实验室试验包括动水注浆实验；固砂试验；注浆参数模拟试验等。总体说来，现有的注浆效果检测技术方法还不够成熟，检测手段仍然是注浆施工技术中的一个薄弱环节，对注浆效果没有一个明确的判别标准，许多注浆工程仅凭经验定性地判别注浆效果。目前，公认的检测方法中以声波探测法为最好。在地下巷道硐室中实施注浆，声波测试、取芯试验和钻孔深部位移观测法等都是有效的注浆效果检测方法。l 注浆技术研究及应用规模注浆技术现已成为处理各种工程问题的主要手段之一，其应用范围和工程规模不断扩大。只要涉及到岩土工程和土木工程的各个领域，都可使用注浆技术。北主要应用范围有：大坝、堤防的防渗和基础加固：地下建筑物的防水和加固；地面建筑地基加固和阻止沉降；矿井、油井开凿中用于井巷、硐室的止水和加固；隧道开凿中进行止水和加固软弱带；桥基加固和防冲刷；边坡加固提高边坡稳定：核电站、水电站基础加固；混凝土和钢筋混凝土补强等。建筑行业、水利行业及矿山建设行业中，注浆技术发展极快、应用规模宏大。现注浆技术普及世界各地，研究和施工队伍不断壮大。美国从事注浆研究的单位有西北大学、斯坦福大学、氰胺公司等。日本研究机构有东京大学、京都大学、成都大学、东邦化学工业及其研究所、日本化学工业(株)等，另外，注浆工程公司达几十家，其中日本综合防水社在东南亚和香港等地承包注浆工程享有盛誉。英国目前有六个大的注浆公司在国内外承包注浆工程。德国从事注浆研究的有柏林大学、卡尔斯路赫大学、慕尼黑大学、纽伦堡地基研究所及埃森矿业研究中心。此外，如前苏联全苏水工科学研究院aa撕阔琴斯基矿业研究所和法国的索莱坦修注浆公司都是世界著名的注浆技术研究机构和施工单位。我国最具权威性的注浆研究单位有水利水电科学研究院、煤炭科学研究院、长沙矿山研究院、广州中国科学院化学注浆公司、铁道科学研究院、清华大学、东北大学、中国矿业大学、同济大学和中南工业大学等。l 注浆技术的发展方向虽然注浆技术已在我国土木工程领域得到了广泛的应用，但是注浆理论和注浆模型的研究还比较落后，不能满足注浆实践的要求，应在以下方面加强研究:(i)岩体结构理论的完善。岩体的裂隙是天然条件下形成的不规则的破裂面，其不规则特征强烈地影响浆液的渗流过程，而裂隙的分布、表面特征具有随机性，服从一定的随机分布规律。(2)注浆浆液的非牛顿流体特性的研究.现在大数裂隙注浆理论都是建立在牛顿流体稳定渗流的基础上，而真实裂隙岩体的注浆过程具有明显的非稳定特性和非牛顿流体特性。(3)注浆加固体强度理论的研究。目前，国内外在注浆加固体强度方面的研究只得到了一些定性的结果，没有上升到理论的高度，因此，很难应用于实践。况且，影响注浆加固体强度的因素很多不能简单地以强度提高多少来衡量，而应建立岩体结构、注浆材料和注浆加固体强度之间的关系。第二章 各种注浆材料的流变特征2.1 注浆材料的分类注浆材料种类繁多，性能各异，根据不同的分类方法，可以有不同的类别。有的分类法根据注浆对象，是基岩裂隙还是松软地层；有的根据注浆材料的种类；有的则根据浆液在凝固过程中发生的化学反应的类别等等。世界各国都有所不同，即使在同一个国家，不同的部门，对注浆材料的分类也有所不同。本文按注浆材料主剂性质分为化学浆液和颗粒浆液两大类。液浆类机有它其液浆类脂胺聚液浆类素质木液浆类胺酰烯丙液浆类璃玻水液浆类璃玻水，泥水液浆类土粘泥水液浆类泥水液单液浆粒颗液浆学化料材浆注2.2 注浆材料评述 由于注浆目的和对注浆要求不同，采用的注浆材料也不同，一种理想的注浆材料，必须具备以下的主要特性：（1）浆液的稳定性好，在常温，常压下较长时间存放不改变性质，不发生强烈化学反应。（2）浆液黏度底，流动性好，可注性强，可注入细小裂隙中。（3）浆液凝胶时间在一定范围内可调，并能准确控制。（4）浆液无毒，无臭，不污染环境，对人体无害，属于非易燃易爆物品。（5）浆液对注浆设备，管路等无腐蚀性。（6）浆液固化时无收缩现象，固化后与岩体等有一定的黏结性。（7）结石体具有一定的抗压抗拉强度，不龟裂，抗渗性能，防冲刷性能和耐老化性能好。（8）材料来源丰富，价格低廉。（9）浆液配制方便，操作简便。一般注浆材料较难同时满足上述所以要求。因此，根据工程具体情况选用某种或某些符合上述几项要求的注浆材料即可。浆液的性质对工程来说是至关重要的，选择恰当的浆液可达到注浆目的，如果浆液选择不当，使浆液难以注入或者流失、强度很低达不到注浆目的，有必要了解浆液的性质。 以水玻璃为例说明颗粒浆液的性质：该材料以水玻璃为主剂，用两种低分子有机化合物为胶凝剂，凝胶化学反应较充分，所得凝胶强度高，耐久性较好。既可单独用作细砂层帷幕注浆，又可与水泥浆配合成水泥水玻璃浆，对岩层细裂隙、卵石层进行固结堵水注浆。该浆液基本性能： 1、浆液粘度410320103pas； 2、胶凝时间由十几秒至数十分钟； 3、固砂强度13mpa，大砂体在湿润地层中十多年仍稳定。 以木质素为例说明化学浆液的性质：该材料由亚硫酸盐纸浆废液或其粉剂木质磺酸钙为主剂，加入优良的强化剂和胶凝剂组成，适用于断层破碎带，流沙层，岩层细裂缝等类似条件的胶结、加固、堵漏、防渗注浆。有lp1和lp2两种浆液，其突出特点是强度比铬木素分别高10倍和20倍，且无高价铬离子（cr+6）毒性，不污染环境。其基本性能如下：1、浆液粘度低，310640103pas，可注入和固结粉细沙层和含泥量25以下的细沙层；2、胶凝时间可调范围宽，数秒至数十分钟；3、固砂强度高达12mpa，纯胶强度达26mpa；4、固砂体和纯胶耐久性好，在5%的h2so4、naoh、nacl、自来水和空气中存放一年，其强度仍稳定。 2.3 不同注浆材料的流变特性浆液在孔隙和裂隙中流动，其流变学特性取决于浆液材料的结构特性。在流变学中将流体分成牛顿体和非牛顿体两大类。如图2-1为几种常见流体的性状曲线6。切应力应变速度(=切变率-u/y)2222314图2-1 各种流体的流动曲线1牛顿流体；2宾汉流体；3剪切稀化流体；4剪切稠化流体 流动较好的化学浆液属于牛顿流体，它的特点是在凝胶前符合一般牛顿流体的流动特性，当达到凝胶时间后，瞬时凝胶。 牛顿流体的切应力t和应变速度呈线性关系，其流动曲线是通过坐标原点的直线（曲线1），本构方程为： (2-1) 水泥和粘土浆液从结构上看，属于两相流体，应符合两相流动理论。为了简化计算，一般将其看成具有平均性质的准流体考察其流动性质，应用非牛顿流体力学的方法研究浆液的两相流动特性。 非牛顿流体包括剪切稀化流体、剪切稠化流体、宾汉流体等多种类型，它们有不同的切应力与应变速度的关系曲线。其中，宾汉流体也称塑性流体。水泥、粘土、污泥、沥青、石油制品、高含腊低温原油、牙膏、油漆及中等浓度的悬浮液等都可当作宾汉流体考虑。如曲线2为宾汉流体的流动曲线。由于多相流体中，作为分散相的颗粒分散在连续相中，由于分散的颗粒间有强烈的相互作用形成了一定的网状结构，为破坏网状结构，使得对宾汉体只有施加超过屈服值的切应力才能产生流动。切应力与变形速度成线性关系。宾汉流体的本构方程如下： (2-2)由于宾汉流体只有切应力t超过屈服值的部分才能产生相对流动，其余部分只是随着这部分流体象固体一样向前滑动。因此宾汉流体的流动中一般包括两个区域：流体质点间无相对运动的部分称流核区（固态），流核以外的称速梯区（液态）。在固液两区的交界面上发生屈服。粘度是浆液的最主要的流变参数。如图2-2为常见的两种浆液粘度变化曲线。0时间t粘度m图2-2 两种浆液粘度变化曲线曲线：一般浆液材料，如单液水泥浆，环氧树脂类，铬木素类等。曲线：丙烯酰胺类浆液等。 这两条曲线反映了通常意义上的粘度不变及粘度渐变型浆液粘度随时间变化情况。以丙烯酰胺为代表的大多数化学浆液属粘度不变型浆液，其特点是在凝胶之前粘度保持不变，当达到凝胶时间后瞬时凝胶。以水泥浆为代表的粘度渐变型浆液，它的特点是浆液粘度逐渐增大，直到完全凝胶。水化时间是粘度变化的最主要影响因素，若忽略其他（如触变性、震凝性等）次要因素的影响。则 (2-3) 即、m只与时间有关。 若将上式代入式(2-2)中，则： (2-4) 这说明：在某一固定时刻，、之间仍服从线性关系。有资料表明：许多粘度渐变型浆液，凝胶过程中粘度变化都符合指数规律7： (2-5)式中：t浆液混合的时间； k，a待定常数，由各种不同浆液本身的性能所决定。 事实证明，在高压下浆液运动时的粘度与浆液静置时的粘度变化是有区别的，其变化规律比较复杂，且不易直接掌握，但通常可以认为：它与常温常压下浆液自行凝胶时的变化规律基本一致，或者说仅相差一个常数8，即： (2-6)式中：浆液运动时的粘度变化； c常数。浆液材料的流变性受地层中各种地质条件及注浆工艺参数的影响较大，岩体中化学成分，温度的影响，如地下水的稀释等。另外，将两相流按单相流考虑，也会造成误差。所以目前这方面的研究还仅限于根据现场浆液的本身性能和外界条件，研究推导出浆液在地层中的流动规律。因各地区和工程条件的不同，这些规律的适用性均不十分理想。第三章 裂隙岩体注浆模型研究近几十年来，国内外许多学者根据流变学和地下水动力学原理对渗透注浆法进行了理论研究，发展了一些渗透注浆理论。但总体来说，与注浆材料、注浆工艺、注浆设备的快速发展鲜明对比的是注浆理论的研究，特别是渗透注浆理论及渗透机理的研究相对还比较落后，进展缓慢。究其原因主要有三方面：其一，由于被注介质的不均匀性和不确定性（如土的渗透系数的不确定性，渗透系数的各向异性，岩体裂隙张开度及分布的不均匀性和不确定性），难以发展能准确预测注浆过程的理论方法；其二，浆液本身的多变性及介质对浆液性能的影响，更增加了理论预测的难度；其三，渗入理论及机制的研究一直为人们所忽视。由于天然岩体形态的极度复杂性，裂隙结构面的表面粗糙度、裂隙结构面的表面走向及裂隙开度等因素的影响，以及注浆材料的多样性，在研究裂隙岩体注浆时，应根据研究域的特点和所要解决问题的要求，使用不同的注浆概念模型。本章针对不同注浆材料（化学浆液和颗粒浆液），构建了不同裂隙岩体注浆模型，包括等效连续体模型，离散裂隙网络模型和混合模型来预测裂隙岩体中化学浆液注浆，并提出了颗粒浆液注浆构建模型的依据。这些模型基于不同的假设和概念框架，有着不同的优缺点，在实际应用中，应分门别类地对待。国内外学者对注浆做了大量的理论研究工作，取得了一定的进展。注浆理论的研究对象主要是浆液在岩土体中流动时所完成的两个主要过程，即物理化学过程和流体力学过程。物理化学过程包括注浆材料的凝结和硬化机理、浆液的流变性能等；流体力学过程包括浆液沿注浆管道及在地下沿孔隙、裂隙或空洞的流动扩散规律。岩体的渗流有着不同的特点。岩体中一般分布有大小不等的裂隙。裂隙和孔隙的关键性差别有两点:首先，孔隙在二维方向上延伸，其各个方向的尺寸的差别不显著，而裂隙在一维方向上延伸，其两个方向上的尺寸比第二个方向上的大得多;其次，孔隙的延伸尺度比研究域小得多，而裂隙的延伸尺度可以达到整个研究域，其长度可以从几厘米，或更小，变化到几千米。这些差别必然导致裂隙岩体中的渗流注浆规律不同于多孔介质。在早期研究阶段，对于裂隙岩体中渗流注浆规律认识不足，而导致工程失事的著名的例了包括1959年的法国malpasset拱坝溃坝和1963年的意大利vajiont拱坝库水位上升引起的大型滑坡。这两起事件均造成重大的人员伤亡，当时震惊了工程界。人们开始认识到岩体渗流注浆与土体渗流注浆有着显著的不同，必须对其规律性进行深入研究。近年来，由于国际上高放射核废料深埋处理工程和裂隙性油气田开发的需要，对于裂隙岩体注浆的实验和理论上的研究得到了重视并逐渐成为一个热点问题，开展了大量的研究工作。本文在这些工作的基础上对裂隙岩体注浆模拟的各种概念模型作了初步的探讨。本文只涉及饱和流，没有考虑应力的影响。3.1 单裂隙注浆渗流概念模型 当裂隙开度变化很小时，用平行板之间的流动来模拟裂隙注浆的状态是适宜的。单裂隙的常规的最基本的概念模型是光滑平行板模型，此模型假设注浆域由两块相隔一定距离的平行板组成。由于平行板问的稳定流量可以很容易地用立方定律进行预测，因此，此概念模型得到了广泛的应用。如果假定速度场是一致的、稳定的、一维的，目是足够低的以能保持线性流状态，并目，假定构成裂隙的板是光滑的、平行的，目足够宽以能忽略其边界效应，则立方定律就变成navier-stokes方程的简单解，在这些假定下，立方定律预测速度的剖面梯度形状为抛物线，渗流量与开度的立方成比例。这己经得到了试验的证实。由于较为简单，平行板模型和立方定律在预测裂隙中的渗流时是具有吸引力的。然而，实际上单裂隙并不是光滑的平行板，而是具有粗糙的表面，在局部是非平面的、非平行的，并有可能是接触在一起的。对于这样的裂隙中的渗流的预测，立方定律是不合适的。很明显，在对粗糙裂隙施加一个水力梯度后，将会产生二维的、非均衡的、弯曲的渗流场。此外，这种复杂的渗流行为还有可能导致不可忽略的惯性力，尽管渗流场是线性的。实际上，这种情况己经在实验室中被观察到，它导致渗流场非线性地依赖于水力梯度。因此，对这种粗糙裂隙中渗流的完全描述需要用到二维的navier-stokes (ns)方程(包含连续性方程)，如下：(连续性方程) （31）(stokes方程在x轴上的分量)其中，。式中：fxx轴上的质量力分量； ux、uy、uz流速在x、y、z轴上的分量； r流体密度； p压强。 ns方程由一个非线性偏微分方程组构成，在粗糙裂隙这样的复杂的儿何形状下是很难求解的。因此，ns方程仅被用来模拟具有理想几何形状的裂隙中的渗流。仅有的可见到的模拟粗糙裂隙中的二维渗流的工作使用了stokes方程10。stokes方程是ns方程的重要组成部分，其惯性项被忽略，经常被用作蠕流方程。stokes方程是一个线性偏微分方程组，其求解比ns方程容易得多。然而，在实际上，不管是求解二维的ns方程，还是stokes方程，计算工作都是艰巨的。因此，许多学者假定粗糙裂隙中的二维渗流场可以近似为一维，控制方程可以使用reynolds方程。 reynolds方程是一系列轻度不平行板渗流的stokes方程的近似，其假定垂直于裂隙面的流量分量可以忽略。这种描述裂隙渗流的形式通常被称为局部立方定律。 局部立方定律代表了粗糙裂隙中渗流模拟的当前发展水平。数值模拟己经被用于复杂的单裂隙渗流场，这些结果在定性上与实验室或现场研究中所观察到的一致。由于其内在的假定可能会潜在地导致对有效水力行为的不准确的估计，最近的一些理论上的和解析上的研究，分析了reynolds方程用于饱和裂隙渗流模拟的有效性。这些研究认为，为了维持一个抛物线状的速度轮廓线(即保证垂直于裂隙面的水力梯度是可忽略的)，裂隙开度的均值和方差必须明显小于开度变量的特征长度尺度。此外，为了可以忽略惯性力影响，流体的速度必须相对较小。zimmerman和bodvarsson （ 1996年)认为，对于雷诺数小于1的流动，惯性力的影响将不是重要的。3.2 化学浆液注浆模型 由于化学浆液和水的流动性和在裂隙岩石体中有相似的渗透规律，因此可以参考有关水渗流模型来建立化学浆液的注浆模型。3.2.1 等效连续体模型 早期的研究一般认为岩体中的裂隙规则分布，或把岩体作为一连续体，把裂隙均匀到岩体的各个质点上去作多孔介质处理。 等效连续体模型中，裂隙介质被假定具有足够数目的随机产状和相互连通的裂隙，以使在统计的角度和平均的意义上定义裂隙介质每个点的平均性质成为可能。其不考虑单个裂隙的物理结构，裂隙介质被看作多孔介质，这样，像渗透率和孔隙度一类的参数就可以估计出来910。 多孔介质渗流力学基本方程包括连续方程和运动方程，将达西定律代入连续性方程就得到不考虑温度变化的多孔介质线性渗流的控制方程： （3-2）式中， 为浆液的密度，为孔隙度，t为时间，为渗透张量系数，h为水头。将式（3-1）用于裂隙岩体注浆，即所谓的等效连续体模型。此模型的优点是比较简单，仅有几个参数对于模拟是必须的，如等效渗透系数，有效孔隙度等。因此，使用该模型进行注浆预测的最主要的工作之一，是确定岩体的渗透张量。 双重介质模型是另一种等效连续体模型，此模型认为，注浆过程中，裂隙是浆液的主要传输通道，其渗透性比多孔介质的渗透性大的多；多孔介质是浆液的主要存储空间，其孔隙度比裂隙的孔隙度大的多。裂隙主要提供流动通道，而孔隙主要提供存储空间，形成两个彼此独立而又联系的系统。这两个系统都被看作联系的系统，有各自的孔隙度和渗透率。这样就可以在空间中的每一点定义两个孔隙度和两个渗透率，空间中每一点就有两个压力和两个速度。此模型的优点是考虑了两个系统间的密切的流体交换，其缺点是被裂隙分割成的基质岩块被假定具有相同的大小和形状，过于简化。双重介质模型最初由barenblatt等提出。他们将隙间流动当作准稳态处理，认为隙间流动强度（单位时间内由单位体积基质块流向裂隙介质中的流体质量）与压力差成正比，与黏度成反比，可写成： （3-3）式中 无量纲量称为无量纲隙间流动系数，为浆液初始密度，为孔隙介质和裂隙介质压力差。岩块的扩散方程在岩块的体积上积分并转化为基质中平均压力的普通微分方程。总流量（流体与裂隙多孔介质的交换量）是一个独立参数，取决与特殊块体几何形状的原始扩散方程的解。 除上述两种模型外，neuman（1987）还提出一个随机连续体模型，之后，neuman 和depner(1988)等也使用此模型进行了实际工程的研究。在随机连续体模型中，裂隙岩体被概化为一个基于非参数指标地质统计学的单连续体随机模型，模型参数的统计性质通过现场实验获得，岩体的非均匀性通过水力传导率参数的强烈变异性来表征。随机连续体模型吸引人之处是其实用性。应用此模型的关键问题是需要确定研究域的性质是否可以用量测试验尺度上得到参数来表征。3.2.2 离散裂隙网络模型尽管用连续体模型来模拟裂隙系统在过去被广泛应用，但对不存在表征体积单元或表征体积单元很大的研究域，可能会带来不合理或不正确的结果。特别是它们不能充分解释小范围内的量测。裂隙岩体的一些性质，如裂隙密度，半径，产状和导水性是不能被平均的，而这些性质对岩石中的地下流体的运动和溶质的运移是很重要的，它们往往导致裂隙岩体及其中的渗流的不可忽略的非均质性。此外，越来越多的证据表明由于裂隙面内沟槽现象的存在，单裂隙内的水力性质也具有很大的变化性。因此，在最近20年内，为了能更精确地考虑裂隙介质的非均匀性质，许多研究者用离散的裂隙描述方法来模拟裂隙岩体中的流动和运输。岩体裂隙网络是指岩体内不同成因、不同力学性质、不同规模和不同方向的裂隙个体在空间上相互交叉构成的网络状系统，称为裂隙网络系统。裂隙网络系统因受个体裂隙非均质特性的影响，其整体性质可表现为均质性、非均质性、各向异性或各向同性等多种形式，从而也使得裂隙网络岩体的性质更趋于复杂。 裂隙岩体注浆渗流控制方程 裂隙网络注浆渗流模型是根据裂隙交叉的几何特征，把裂隙交叉点作为节点，节点与节点之间的裂隙作为线单元，并根据各线单元流向共同节点的流量等于零(稳定流)或等于贮存量的变化(非稳定流)，建立裂隙岩体网络的渗流方程，然后再结合初始条件和边界条件就构成了裂隙网络注浆渗流模型(见图3.1). 图3.1 应用蒙特卡洛模拟生成的裂隙网络大多数研究者用离散裂隙网络方法分析注浆浆液流动问题时，没有考虑岩石基质的渗透性，即认为流体全部在裂隙网络中流动，这称为单结构离散裂隙网络方法。这种方法包括两方面内容。首先，根据现场量测数据生成裂隙网络，然后，在给定的边界条件下对所生成的网络中的渗流和运输进行求解。显然，对研究域内所有的裂隙都进行测量和模拟是不可能的，因此，裂隙网络的生成一般用统计方法，裂隙网络被看作随机模型的实现。一个裂隙被模拟为一个多边形面或一个圆盘，具有位置，半径，产状和导水率等性质。这些裂隙性质是随机的，分别用位置分布、半径分布、产状分布和导水率分布来表征。此外，假定存在不同的裂隙组，每一组裂隙有自己的分布函数。裂隙中心点（位置）遵循一个泊松空间过程，在一个长宽高已知的长方体内生成。因此，裂隙是相互独立的在空间随机放置的，单位体积岩体中裂隙的个数由泊松过程的强度参数决定。然后，对每一个裂隙各参数的分布函数分别赋予半径、产状和导水率。生成裂隙的长方体空间大于实际的研究空间，这样与研究域相交但中心点不在研究内的裂隙也会对流动有贡献，可避免边界误差。最后，再计算出每条裂隙与其他裂隙或研究域边界的交线。裂隙网络生成以后，就可以对其中的渗流进行求解。假设裂隙圆盘具有均一的渗透性，则单个裂隙内的稳态渗流服从laplace方程。裂隙的外边界或者可以看作不可渗透边界，或者其水头是已知的边界。在裂隙的内边界上（与其他裂隙的交线），相交的裂隙具有相同的水头，且流入量之和为零。将边界用边界元法进行离散或将裂隙用有限元法进行离散，根据上述条件可以得到以裂隙交界处或给定水头边界上的水头来表示的全局的线性方程组，从而可以解出各裂隙交汇处的水头。对三维裂隙网络中渗流求解是困难的，需要占用大量计算机时间和内存，因此，在现有的计算能力下，模拟工程尺度上的渗流是困难的，现有的分析基本局限与小尺度问题。此外，因为在实际工程中一般只有有限的岩体是可以被观测到的，所以，运用此模型的另一个问题是如何从现场数据中有效的估计裂隙网络的统计量，此问题涉及到如下一些方面：设计所需的现场和室内实验，布置现场量测措施，对获得的几何数据进行去伪和分析，在对几何数据进行分析时，首先要对裂隙进行分组，然后，对每组裂隙的参数分布函数进行推断，参数分布函数对于不同的工程可能是不同的。详细的分析可以见cacas等(1990)的工作。对于网络中单裂隙渗流的假设也是离散裂隙网络模型研究的一个焦点问题，一般的研究中为简单起见假定每条裂隙用一对平行板来描述，裂隙内部有一致的导水率，浆液在整个裂隙区域中流动。但这与实际情况是不符合的abelin等（1986）在野外实验中观察到单裂隙中存在沟槽流现象，既相当不平均的流动导致流体集中到某一优先流径上流动，tsang(1987)在其提出的沟槽模型中也认为，裂隙平面内的流动应被看作是一系列类似一维的管状流。基于这些研究，cacas等（1990）11提出一个新的方法，他们在裂隙平面内使用了圆形管道作为裂隙内的流动路径，这些管道将各个裂隙圆盘交叉线的中点连接起来，这样可以大大地减少工作量。为了合理起见，圆管导水率的指定使用了经过注水试验数据校核的等效导水率，并作为模型的一个参数引入。dverstorp(1991)也提出一个类似的模型，假定渗流和运输在模型生成的每个裂隙中的光滑的圆形或方形的管道中进行，并将溶质输运与管道内的线性吸附作用相结合。但tsang等在后来的研究中发现，在裂隙平面内使用固定的管流也是不真实的，其研究成果显示沟槽通道随着压力水头的方向而变化，这些通道是以压力势理论选择的具有最小阻力的路径。因此，他们使用了另一种方法来考虑单裂隙的非均质性，将裂隙片面离散为具有不同隙宽的栅格，栅格的隙宽值用一个密度分布函数来表征，隙宽的空间变化性由一个空间相关长度来决定。隙宽密度分布函数可以用地质统计学的方法来确定。这样，就可以考虑道裂隙隙宽变化的影响。由于离散裂隙网络模型中需要模拟的裂隙数目的不断增加（甚至是个），因此，最近的研究主要致力于提高离散裂隙网络模型有效性的方法。romero等（1995）发展了一种与 cacas 等（1990）类似的方法，用圆形管道来代替裂隙，可以将求解的方程维数减少一个数量级。 dershowitz（1996）提出一种方法，将基于多边形裂隙的三维离散裂隙网络模型转化为一个近似等效的由一维管道组成的三维网络，管道的导水率可以使用边界元法来推导。此外，对于具有较大基质孔隙度的裂隙介质，如包含较多裂隙的砂岩，或者涉及到溶质运输的长期特性时，在用离散裂隙网络方法进行渗流或运输预测时，必须考虑基质的渗透性，这时，使用上述的单结构网络模型不能满足要求，而需要在网络模型中考虑较大的基质孔隙度的影响。berkowitz等（1988）的做法是将基质岩块进行有限差分离散，用数值方法来对整个系统求解。但是，由于裂隙中和基质中溶质传输速度的巨大差异性，基质中的网络剖分必须相当精细，以能表示出在裂隙和基质交界处的溶质浓度梯度的急剧变化。为了克服这样的困难，sudicky 和mclaren将拉普拉斯 galerkin方法进行了扩展应用与离散裂隙介质中的溶质输运模拟。由于拉氏空间中的解相对比较平滑，所以，此方法能够使用粗糙的网格而不影响解的精度。3.1.3 混合模型混合模型是一种基于离散裂隙网络分析的等效连续体近似模型，其运用离散裂隙网络方法计算裂隙岩体的等效水力参数，然后，使用等效连续体模型预测系统的整体的注浆渗流和输运性质。此模型的设想是能够结合等效连续体模型和离散裂隙网络模型的长处而避免二者的缺点。这种思想在离散裂隙网络模型发展的早期就已经得到体现。（如long等 ，1982年）12。在分析高放射性核废料厂的渗流和输运行为时，由于涉及的研究域的范围比较大，运用离散裂隙网络方法存在计算量太大的问题题，因此，一些研究者使用了混合模型，如瑞典的stripa地区herbert等的研究工作，在法国 fanay-augeres 地区的 cacas等的研究工作。3.3颗粒浆液注浆模型3.3.1离散介质模型针对水渗流的岩体介质模型有：双重介质模型，连续介质模型及离散介质模型（非连续介质模型）等。双重介质模型认为裂隙岩体是由空隙性差和导水性强的裂隙系统及空隙性好而导水性弱的岩块孔隙系统共同构成的统一体；连续介质模型是把裂隙系统和岩块孔隙系统均视为透水介质，孔隙和裂隙均匀分布于整个计算区域内，将裂隙岩体等效于多孔介质；离散介质模型则认为液体只沿裂隙面流动，完全忽略岩块基质的渗透性，认为岩体的渗透性等效于裂隙网络系统的渗透性。对于注浆而言，岩块孔隙系统的渗透性很小，尤其对于水泥这样的颗粒型注浆材料，是很难渗透到岩块的孔隙系统中的，在岩块孔隙与裂隙交界处也不会存在激烈的液流交替，浆液的流动主要在裂隙中。因此，采用离散介质模型考察浆液的流动性是适宜的。它以单个裂隙中流动基本公式为基础，认为压力、流量分布只限于裂隙通道内，利用流入和流出各裂隙交叉点流量相等的原则建立方程，具有拟真性好、精度高等优点。对于浆液的流动来说，这显然是符合实际情况的。该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体只通过裂隙网络流动。其中对注浆浆液流动影响最大的是岩体裂隙开度，可用节理裂隙开度之和（可计算得到）和节理裂隙最大开度（可由岩芯资料得到）来控制。离散介质模型方程： 1. 忽略裂隙交汇点处的能量损失，在接近交汇点足够近的各条裂隙内的压力相等且等于裂隙交汇点处的压力，即： （3-4）式中：pji流入节点i的第j条裂隙末端压力； pil流出节点i的第l条裂隙始端压力； pi交汇点i处压力。 2. 流入交点i的总流量等于流出i的总流量，即：