（岩土工程专业论文）考虑地质因素的岩体灌浆理论及应用.pdf

摘要 摘要 尽管在灌浆领域内，新材料、新技术不断涌现，但是在大坝坝基防渗、加固、补强等 工程中，水泥灌浆特别是普通水泥灌浆，由于其形成的水泥结石具有强度高、耐久性好、 无毒等优点以及其经济上、技术上的优势，一直是应用最为广泛的方式。本文在考虑地质 条件的基础上，对普通水泥浆材的灌浆理论作了一定探讨，包括岩体灌浆的地质模型、水 泥浆材的扩散距离、灌浆压力的选取方式，并尝试将研究成果应用于滩坑水电站工程。本 文主要内容及成果如下： ( 1 ) 岩体灌浆地质模型研究。由岩体结构特征和岩体所处的水文地质特征为基础，并 考虑岩体的可灌性，包括岩体可灌性的概念、影响可灌性的因素、可灌性的确定方式，得 到岩体灌浆结构基本单元：透浆体和隔浆体。由结构单元的排列、组合得到各种岩体灌浆 模型：水平层状模型、倾斜层状模型、网状结构模型、脉状结构模型、管道状结构模型。 ( 2 ) 水泥浆液扩散距离计算公式推导。浆液在受灌岩体内的扩散距离，决定着灌浆工 程的质量和成本，因而是灌浆施工中需要准确控制的重要参数。通过研究宾汉流体的流动 特征，分析、总结得到时变性的水泥浆液流变模型，以此为基础考虑地下水、浆液自重影 响推导得到水泥浆液在水平裂隙和倾斜裂隙中的扩散距离计算公式。 ( 3 ) 灌浆压力确定。在灌浆工程中确定灌浆压力是关键，在避免岩体劈裂等结构性破 坏的原则下，通过理论分析方法：孔壁岩体水力劈裂、裂隙内水力劈裂、水力扩缝。确定 了考虑地质影响的灌浆压力的选取方式。 ( 4 ) 灌浆理论的工程应用；将研究成果应用到滩坑水电站工程，通过将理论计算值与 设计值对比分析，认为目前灌浆设计中多采用经验性的工程类比法，对具体的工程地质、 水文地质条件考虑较少，设计方案的针对性不强，并针对扩散半径、灌浆压力提出自己的 看法和建议。 【关键词】：水泥灌浆；灌浆模型；浆液扩散半径；灌浆压力；工程应用 a b s t r a c t n e l j l rm a t e r i a l sa n dn e wt e c h n o l o 酉e s 印p e a ru n i n t e m 】p t e d l yi n 铲0 u 血g6 e l d s ，b u tm e n o 加脚c e m e n ti su s c dt h em o s tw i d e l y 近g r o u 血g 蛐gm ew o r ko f r e d u c i n gp 锄e a ：b i l i t ya 1 1 d 而蜘g i nd 锄如m i d a t i o n b c c a 吣eo fi t s 舳a g e so fc 0 n 渊n 髓t sh i 曲硫e n s i 坝9 0 0 d e 薹：i d l 啪n c e ，n o n l p o i s o n 锄di t se o o n o 面c ，t e c ：h i l i c a la d v a m a g e s o nt 1 1 eb a s i s ，t h ep a p e rc 0 i l s i d e r s g e o l o 百c a lc o n d i t i o n s ，m e nd i s c l l s s e st h em e o f yo fo r d i i l a r yc e m e n tg r o u t i n gm a t e r i a l s ，i n c l u d i n g r o c kg r o u t i n gg e o l o 舀c a lm o d e l ，t l l ed i m l s i o no fg r o m s ，锄dt l l es e l e 嘶o no f 孕o u t i n gp r e s g u r e ， 缸1 e nl l s i n gm er e s e 鲫hr e s u l t si nt a n k e n gh y d r o p o w e rp r o j e c t i l l 廿l i sp a p 盯，m ec o n t 饥t sa n d r e s u l t s 羽ea sf b l l o w s ： ( 1 ) g e o l o 酉c a lm o d do fr o c kg r o u t i n g b 嬲eo n 也er o c ks t m c t u r ea 1 1 d 也eh y d r o g c 0 1 0 百c a l c h a r a c t 甜s t i c s ，a n dc o n s i d 甜n gm e 伊0 u t a b i l i 够o fr o c k ，w t l i c hi n c l u d e si t 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o u t s ，m e a i l w h i l ec o n s i d e r i n gt h ea a e c t i o no fg r o u n d w a t e ra n dg 阳t s w e i g h t ，t h e nd e r i v e dt h es p r e a df o 姗u l ao f c e m e n tg r o u t si nt h eh o r i z o n t a la n do b l i q u e c r a c k s ( 3 ) d e t e r m i n i n gt h eg r o u t i n gp r e s s u r e i ti st h ek e y t od e t e m l i n em ep r e s s u r ed 嘶n gm eg r o u t i n g p r o j e c t p a p e rd e t e n i l i n e sm ep r e s s u r et 王l r o u 曲t h em e t l l o d so fr o c kh y d r a u l i c 助c t u r i n ga u l d h y d r a u l i ce x p a n s i o nj o i n t s ，a 1 1 dk e 印t h ep r i n c i p l eo fa v o i d i n gm e r o c ks t m c t u r ed 跏l a g e a tl a s t t l l ep a p e rm a k es u r em ew a y so fg r o u t i n g p r e s s u r ea r e rc o n s i d e r i n gg e o l o 西c a li n n u e l l c e ( 4 ) a p p l i c a t i o no ft h eg r o u t i n gt h e o r y i ti sc o n s i d e r e dm a tt 1 1 ed e s i g n i n go fg m u t i n gi sm o s t l y m a d et i 啪u 曲e m p i r i c a la i l a l o g ym e m o d s ，m i n k i n go ff e wc h a r a c t e r so fe n 百n e 砸n gg e 0 1 0 9 ya n d h y d r o g e o l o g y ，h a v i n gf e ws t r o n gt a r g e tb yt h ec o n l p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt 1 1 e o r e t i c a lv a l u e s a n dd e s i i l i n gv a l u e s a n ds u g g e s t i o n sa b o u td i 丘h s i o nd i s t 觚c ea n d 伊o u t i n gp r e s s u r ea r er i s e di n 廿1 i sp a s s a g e k e yw o r d s ： c e m e f l tg r o u t i n g ，g r o u t i n gm o d e l ，d i 惫l s i o nm d i u so f 孕o u t s ，g r o u t i n gp r e s s u r e ， e n 百n e 嘶n ga p p l i c a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：匠卤盗 劭孵年三月肛日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 ， 论文作者( 签名) ： 荭塑錾幻名年易月7 调 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 灌浆( g r o u t i n g ) ，也称注浆( i n j e c t i o ng r o u t i n g ) ，就是将具有胶凝性的浆液或化 学溶液，按照规定的配比或浓度，利用液压、气压或电化学原理，通过钻孔或其他设施， 压送到需要灌浆的部位( 大坝坝基岩石裂隙或砂砾石地基的孔隙或裂隙，隧洞周围岩石的 裂隙，隧洞衬砌与围岩之间的空隙，混凝土大坝坝体接缝等) ，使其扩散、胶凝或固化， 增加被灌介质的抗渗和抗震能力，以达到加固地层或防渗堵漏的目的。灌浆技术涉及化 学、流体力学、工程地质学、土力学、岩石力学、材料力学、工程机械学、地球物理勘探 学等学科，而且还和液压技术、泵技术、射流技术、电子技术息息相关。 影响岩体灌浆效果的因素主要有：材料性质、地质条件、工艺、环境、设备和方法 在蕾 2 】 寸。 灌浆材料主要可分为固粒浆材和呈真溶液的化学浆材。固粒浆材包括水泥、石灰、 沥青、乳胶、粘土、砂等。化学浆材包括环氧类、聚氨类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酸类、 丙烯酸盐类、木质素类，以及水玻璃( 硅酸盐) 类。灌浆浆液的性质主要包含粘度、密度、 粒度、浓度、流动性、稳定性等。灌浆工程师比较关心的是不同浆液的粘度、流动性、水 灰比( w ：c ) 、剪切强度之间的相互关系，以及被灌载体灌浆前后的强度或渗透性的变化， 以便通过互相比较来选择合适的浆液，这方面的工作国内还研究得较少。 灌浆载体，是使灌注浆液增加有效面积所附着的物体。口1 灌浆载体主要包括土体和岩 体两大类。h 1 土体是由粗细不同的颗粒组成。不同粒径土颗粒的排列组合形成了不同的载 体模型。浆液在不同的载体模型中具有不一样扩散性和可灌性，其适用的灌浆理论也不同。 相对于土体，岩体要复杂得多，具有裂隙的岩体渗透系数要远大于岩石本身的渗透性；另 外岩石内孔隙小、孔隙率低( 一般在0 0 1 0 1 之间) ，且互不相连，就工程问题而言其岩 体本身的渗透性通常可被忽略。裂隙岩体可灌性主要取决于裂隙的开度大小、走向、倾向、 延伸范围、连通情况、裂隙中的充填物及裂隙面的粗糙度等几何结构特征，这些因素与岩 性、岩相和地质历史密切相关。理论分析与计算中常常把岩体中裂隙形成的不同裂隙网络 简化为不同的灌浆载体模型，不同的模型对应着不同的灌浆理论。研究浆液，特别是以水 泥浆为代表的宾汉姆浆液，在岩体裂隙网络中的流动规律，对提高灌浆工程的施工质量、 经济性等具有重大实际应用意义，它可以帮助我们更加准确地判断浆液渗透范围、灌浆量 的大小和完成灌浆大致需要的时间。裂隙岩体灌浆理论研究的是浆液在裂隙中的流动规 律。但对于裂隙岩体灌浆理论而言，找出合适的、正确的模拟裂隙网络是其能否成功应用 的关键；另外，目前对于裂隙岩体灌浆理论的研究主要采用岩体渗流理论，但灌浆中浆液 的流动与水的渗流具有很大的不同，采用渗流理论为基础是否妥当值得商榷。 常规压水试验目前应用比较广泛，普遍的目的是通过获得试验岩层的单位吸水率来分 河海大学硕士学位论文 析和评价所试验岩体的渗透性，以及把试验结果与抗渗准则( 吕荣准则) 进行比较，判断载 体的可灌性和检验灌浆效果等。e k e w e r t 嘲认为，若水的吸收较小，则可用压水试验来比 较岩体渗透性，否则完全取决于岩石的裂隙系统；不能单凭单位吸水率的大小来决定是否 灌浆，因为其没有考虑具体岩石类型的渗透性行为，也没有考虑地质学等方面的因素；岩 体的渗透性和浆液可灌性一般情况下并不成比例关系。 灌浆准则目前还没有统一的认识，由此导致在灌浆准则方面也是各执一词，有的工程 认为吸水率达到1 l u 就需要灌浆；马国彦认为透水率小于5 l u 的岩体难于灌浆，大于2 0 l u 的岩体具有可灌性，而透水率在5 2 0 l u 之间的不能确定是否可以灌浆；库滋纳尔认为当 吸水率超过3 0 l u 时应该灌浆，可见认识差别有多大。 对于灌浆工作而言，压力对于灌浆计划的成功起关键作用。压力太高，水泥浆消耗量 增加，却可能不会取得较好的止水效果。压力太小，水泥浆扩散范围变小，可能不能形成 完整的、一定厚度的帷幕，不能达到设计要求。目前压力的选取还没有统一的准则，主要 是根据被灌区的水文地质条件加上经验来确定。归纳分析国内外灌浆压力的确定方法，可 以看出习惯做法是随深度而增加灌浆压力。这样做有些情况下与地质技术条件不协调。因 此，建立灌浆压力的求解模型对具体灌浆方法和工艺的确定无疑具有重要的学术意义和工 程应用价值。 1 2 灌浆技术现状及进展 1 2 1 灌浆材料现状及进展 灌浆材料主要可分为两类：一类是固粒浆材，即固体颗粒的灌浆材料，如水泥、粘土、 砂等；另一类是呈真溶液状的化学浆材。 固粒灌浆材料有许多种，主要包括水泥、砂、粉煤灰、粘土和膨润土等。其中水泥浆 材具有强度高，耐久性好，价格低，以及无毒等优点，一直是基础灌浆中应用最为广泛的 材料。但是，水泥浆材具有一些明显的缺点，如粒径大而进入细微裂隙的能力低；因易于 析水沉积而稳定性差，硬化后结石体积收缩，甚至产生细微裂缝而构成新的渗漏通道等。 8 0 年代以来，许多国家为此而进行了大量的研究工作。我国也研制出不同种类的超细 水泥浆材、改性水泥浆材和膏状水泥浆材，并且在实践中取得了成功。 超细水泥浆材是以硅酸盐水泥为基材，加入多种外加剂研磨而成的。它的d 小于 4 朋，比表面积在1 0 0 0 0 1 3 0 0 0 c 聊2 g 之间，可以灌入细砂介质和宽仅0 1 硼的裂缝。在新 安江水电站的右坝段进行的超细水泥灌浆实验表明，它具有良好的可灌性。 湿磨超细水泥是对于水灰比为l ：1 的普通水泥的浆液再予以磨细，所达到的平均粒径 为4 1 0 朋，比表面积可达到7 0 0 0 1 0 0 0 0 硎2 g ；析水率只是普通水泥浆液的5 左右。可 以在磨细操作的同时进行灌浆非常方便。 改性灌浆水泥不是只追求水泥的粒径越细越好，而是以粒径小于3 0 朋，中值粒径以 2 第一章绪论 6 朋为宜。同时，掺入适宜的外加剂，包括加入膨胀剂以使浆体在硬化过程中产生微膨胀： 加入分散剂，以提高流动性；加入调凝剂，以调节浆体的凝结时间和膨胀稳定性，并提高 硬结浆液的早期强度。总之，可取得较好的综合效果。经在新安江坝基灌浆中试验使用， 证明比普通水泥在相同地层中的注入量提高了3 倍。 膏状水泥浆液是普通水泥、膨润土和外加剂经过高速搅拌而成的。它的水灰比低，为 o 4 0 7 。这种稠浆在2 h 内的析水率不超过5 。在压力作用下，水份不会被挤出，且在灌 浆过程中有触变性。所以，这是一种具有高稳定性的浆体。使用这种浆液，能够较为饱满 地充填裂隙，结石强度高，抗化学溶蚀的能力强。一般应用在较大溶洞灌浆或地下水活动 强烈的地方。 化学浆材( 又称溶解性浆材) ，具有某些水泥浆液所不具备的特性：( 1 ) 粘度低，流 动性好，可以灌入微细裂隙；( 2 ) 凝固时间可以控制，从几秒至几十小时内均可调节：( 3 ) 固结体可以是适于补强用的塑料体、应变性的橡胶体，或止水用的凝胶体等等，因而可以 满足工程的多种需要。但化学浆材的价格高，配方比水泥浆液复杂，有一定毒性，所以一 般情况下，灌浆工程选用材料，尽量先采用水泥浆材，若不能奏效，才起用化学灌浆方法。 在近5 0 多年里，我国研制并应用的化学浆材品种多样，包括环氧类、聚氨酯类、丙烯酰胺 酯类、甲基丙烯酸类、丙烯酸盐类、木质素类，以及水玻璃( 硅酸盐) 类等等。总之，化 学灌浆使用的材料多种多样，性能迥易，各有利弊和所适应的条件。采用时需要根据地质 情况和灌浆目的进行认真的选择。 1 2 2 灌浆法现状及进展 根据灌浆压力的大小现行灌浆方法可分为低压灌浆和高压灌浆。根据“水工建筑物水 泥灌浆施工技术规范d l t 5 1 4 8 2 0 0 l ”，当灌浆压力大于或等于3 m p a 的水泥灌浆为高压 水泥灌浆，低于3 m p a 为低压水泥灌浆。根据灌浆理论又分为渗透灌浆、劈裂灌浆、压密灌 浆和电法化学灌浆四种。 许多压密灌浆的应用与压密并无关，b y l e 1 认为压密灌浆通常用词不当，他于1 9 9 7 年 提出了有限运动位移灌浆法( 1 i m i t e dm o b i l i t y d i s p l a c e m e n tg r o u t i n g ) 认为压密灌浆 只是其中的一类。 对于岩体中的劈裂灌浆，目前争论很大。世界上很多专家认为：劈裂灌浆既是破坏性 的，即表现在先要劈裂被灌载体；又是建设性的，即表现在劈裂缝内扩散、流动、充填、 压密和补强加固。只要控制得当，在任何被灌载体中使用都是有可能的。但澳大利亚灌浆 专家a c h o u s b y n l 认为灌浆压力应该适度，不应采用高压来迫使裂隙产生较大的扩张或抬 动地层。 日本最近开发了控制裂隙方向灌浆法( f r a c t u r ed i r e c t i o nc o n t r o l l e dm e t h o d ) ，是 在地基中与河流方向垂直的截面上人为造成切割裂缝之后，灌入浆液使浆液进入裂缝、孔 隙，最终形成蜘蛛网状浆液脉络。 瑞士大坝专家隆巴迪嫡1 提出的瓯灌浆法( g r o u ti n t e n s i t yn u m b e r ) 目前受到广泛推 3 河海大学硕士学位论文 广应用，该方法是使用单一水灰比的稳定浆液，按灌浆强度值g ，进行灌浆控制的一种灌 浆方法。g ! ，取值可用灌浆孔段的最终灌浆压力尸( 彪砌) 和单位灌浆量矿( 三m ) 的乘积表示： g ! w = 户奉y ( 彪阮l 册) 。6 1 ，灌浆法从理论上解决了灌浆帷幕的形成机理；在施工中使 灌浆工序更加简化，为实行灌浆自动化控制，对关键参数如压力、注浆率、注浆量等实行 自动检测，创造了更为方便的条件；还充分体现了一个重要原则，即：为保证灌浆效果注 浆困难、压力能迅速升起时，就使用高压力，以求尽可能多的灌进浆液；注浆顺利，压力 不易升高时，就使用低压力，限制浆量，以防止浆液远距离流失。但是如何确定m 值是 个关键，对于最高压力易于确定，但是最高压力对应的是进浆量小的微细裂隙，而这种裂 隙不是灌浆处理的主要对象；对于最重要的宽裂隙，最大进浆量矿就难以确定，如果仅仅 因为y 或p y 达到了限制值就终止灌浆，而不达到岩体“拒浆 ，就有可能使灌浆不充分， 甚至达不到预定的效果。由于没有重视具体的地质条件，在三峡工程、小浪底工程的实际 应用中，认为a r 法灌后的岩体没有形成满足设计防渗标准的防渗帷幕。 高稳定性浆液灌浆法，也是目前研究较多的灌浆方法。它是基于以下认识提出来的： 如果浆液中的用水量太多，灌浆后将会留下空穴和渗漏通道。地下水沿着这些空穴和通道 流动，使疏松的水泥结石被逐步溶蚀掉，若地下水有侵蚀性，后果更加严重。因此，问题 的关键是使用稠浆，并且这种稠浆也有良好的流动性，不析水沉淀，在压力作用下没有多 余水份排出。这些性能确保它能够在0 1 哪o 2 唧的裂隙中均匀扩散，浆液能凝固成坚固 密实的结石。目前，这种浆液的制备是通过在水泥浆液中加入少量膨润土来提高浆液的稳 定性；加入减水剂改善浆体的流动性和分散性。这种浆液有如下优点：由于浆液没有多余 水份析出，形成的水泥结石充填裂缝密实、强度高，抗侵蚀能力强：由于产生的上抬力小 可以用更大的灌浆压力；浆液扩散范围易于控制，节省灌浆材料；可缩短灌浆时间提高进 度。 在实际应用中要根据灌浆目的、被灌区具体的岩性以及地质构造条件等因素来合理选 择灌浆法。 1 2 3 灌浆工艺现状及进展 灌浆次序分排序、孔序和段序。排序是对于两排以上的帷幕而言的，对于两排孔时， 先做下游排，再做上游排：三排以上的，一般先做两边排，再做中间排。灌浆孔序分顺序 灌浆和跳孔灌浆，一般帷幕灌浆分为三个孔序，固结灌浆分为两个孔序。段序分自上而下、 自下而上和综合分段法灌浆。也有专家把灌浆次序分为上行式、下行式、混合式和循环式 四种。四，帕 灌浆控制分为过程控制和标准控制。过程控制是把浆液控制在所要灌注的范围内；标 准控制是控制浆液达到灌浆要求。过程控制主要调整浆液性质和灌浆压力、流量，调整的 依据是地质条件和灌浆理论1 。在实际工作中，主要是通过灌浆压力控制和浆液浓度控制 来实现过程控制。灌浆压力控制基本上可分为两种：一次升压法和分级升压法。一次升 4 第一章绪论 压法是灌浆开始时，将压力尽快地升到规定压力，注入率不限。分级升压法是在灌浆过程 中，将压力分为几个阶段，逐步升高到规定的压力值。灌浆浓度的控制主要包括限量法和 限率法。乜1 限量法是在灌浆开始，灌注最稀一级的浆液，每一级浓度的浆液灌入一定量矿升 后，如果注入率没有改变或改变不显著时，也就是注入率过程曲线g = 厂f ) 没有显著下降， 则将浆液变浓一级灌注。限率法是根据同一级浓度的浆液，在一定时间内灌入浆量的多少， 作为是否需要变换浆液浓度的标准，简称“限率法 。标准控制方法主要有定浆量控制、 定压控制和定时控制法n 。在实际中这几种方法是联合使用，共同构成了灌浆的结束标准。 一般情况下，当灌浆达到规定的压力，注入率不大于规定值，继续灌一定时间就可以结束 灌浆。 由于灌浆工程是隐蔽工程，施工质量问题不能在短期内发现，在发达国家已普遍采用 先进的自动化设备来控制整个灌浆过程。在美国计算机辅助灌浆评价系统( c a g e s ) 开始 应用于灌浆工程，它可以以实时图形显示浆液流量、灌浆压力、灌浆时间、浆液扩散半径 等的趋势，监视灌浆作业过程，根据显示结果可以评价初始浆液的适宜性和灌浆岩层的实 时吸浆量n 船。我国于上世纪9 0 年代初期研制成功j 3 1 型智能灌浆记录仪。n 加一台记录仪监 测一台灌浆机，测记主要内容是灌浆压力、注入率和时间。1 9 9 6 年在j 3 1 智能记录议的基 础上，又开发出了j 3 卜d 多路灌浆监测系统，可由一台计算机在1 0 0 0 m 范围内同时监测记 录4 1 6 台灌浆机施工。n 3 1 运用该系统可同时完成从数据采集到资料整理的全部任务，适 用于各种灌浆方法( 包括g i n 工法) ，已在我国许多水电工地推广应用。在灌浆质量检测方 面，已经从单纯地依靠目测，压水试验等常规的方法发展到采用声波检测、变形检测，而 且还辅以电子显微镜、扫描电镜等大型仪器设备，从宏观到微观的综合评价灌浆效果。电 子信息和自动化技术在灌浆中的应用必然是今后灌浆工程中的一个重要发展方向。 1 2 4 灌浆理论研究现状及进展 ( 一) 牛顿流体的灌浆理论 刘嘉材教授研究了二维光滑裂隙中牛顿流体的流动规律，根据牛顿摩阻力定律， 推导出了扩散半径与灌浆时间的表达式n 町 r = 2 2 l + ( 1 一1 ) = 竺二坚生! ”2 ， 仁f 而r 业 qq 昂一裂隙内静水压力； 河海大学硕士学位论文 6 一裂隙宽度； 一灌浆孔半径： 7 7 一浆液初始粘度。 该式可用来计算浆液的扩散半径和灌浆时间，也可根据扩散半径求所需的灌浆压力。 在公式推导的过程中，将注浆流量q 用含有最大扩散半径r 的式子去简化表达式，把q 做 为一个常数，而实际上浆液流量是随注浆时间的变化而变化的，不应是常数，同时该公式 的推导没有考虑裂隙粗糙度的影响，对地下水阻力的影响考虑也不够，难以用来正确地计 算浆液的渗透距离和评价裂隙的可灌性。 b a k e r ( 1 9 7 4 ) 针对牛顿流体在裂隙内的辐射流动，采用平直、光滑、等开度的平 行板裂隙模型，并假定灌浆压力p 和流量q 恒定不变，导出了如下层流关系式：n 钉 = 警h 丢+ 筹b 纠 ”3 ， 式中：r 一在半径为的钻孔内的压力； p 一在距离为，处的压力； q 一浆液的体积流量： 一浆液的动力粘度； p 一浆液的密度； 6 一裂隙开度； ，一浆液的扩散半径； 一钻孔半径。 上式第一项为摩擦造成的压力损失；第二项是辐射流中动能改变而造成的压力损失， 常被略出不计。上式在推导过程中同时假定灌浆压力昂和流量q 恒定不变的条件是不成立 的，因在灌浆裂隙入口处的压力不变的情况下，随着浆液在裂隙内扩散距离，的不断增大， ，处的压力梯度不断减小，浆液的粘度也在不断变化，随着时间的不断延长和扩散距离的 不断加大，浆液流量是不断减小的。从上述公式中还可以得出如下推论，即只要压力尸不 为0 ，则浆液的运动永远不会停止，灌浆过程可以无限制地延续下去。这一推论也显然与 实际情况不符，说明这些公式中存在着严重缺陷。 此外，在推导浆液在裂隙内的运动公式时，所采用的平直、光滑的平行板裂隙模型与 天然裂隙差别太大，将理论公式应用于天然裂隙时，计算结果误差较大。 张良辉6 1 考虑粗糙度和地下水粘性阻力的影响因素推导了牛顿流体灌浆时间与扩 散半径关系的公式： r = 鼎啦甜孚怍料孚付华 ) 6 第一章绪论 式中：f 一灌浆时间； 6 一裂隙开度； k ，一粗糙度系数； g 一重力加速度； 一灌浆孔孔底压头； j i i ，一地下水静水压头； 1 ，一浆液的运动粘性系数； v 一水的运动粘性系数； ，0 一灌浆孔半径； ，一浆液在任意时刻的扩散半径； ，一地下水的影响半径。 上述公式考虑了粗糙度和地下水的影响半径，更接近于实际情况，但公式只考虑了水 平裂隙，不具有代表性，未考虑浆液的粘度时变性，只考虑了牛顿流体，且裂隙隙宽的取 值也不明确。 石达民等人对时变性牛顿流体进行过实验研究，推导了浆液作一维层流时压力的， 变化规律n 7 1 ： 嘶) 竹警锱 ”5 ) o m “严v ， 式中： 只、只一分别为灌浆孔内及浆液锋面处的压力； 。一为浆液最大扩散距离； o ) ，( o ) 一分别为灌浆后f 时刻和灌浆开始时浆液的粘度。 上式表达出了浆液运动过程中的一项基本规律，即浆液粘度随时间的延续不断加大， 灌浆压力衰减的速率不断增加。但该式不能用于评价浆液的扩散半径随时间的变化情况。 ( 二) 宾汉流体的灌浆理论 多数粘土浆液、粘度很大的化学浆液及水灰比小于1 的水泥浆液均属于宾汉流体。由 于宾汉流体比牛顿流体具有较高的流动阻力，因而两种浆液要达到相同的扩散距离，则宾 汉流体需要较高的灌浆压力。与牛顿流型相比，宾汉模型能更好地反映悬浊浆液存在内聚 力的特征，因而自8 0 年代以来许多研究者都采用了这一模型。隆巴迪等人对浆液的内聚力 在灌浆中的作用做过详细阐述，指出稳定的水泥浆是典型的既有粘度、又有内聚力的粘塑 性宾汉体，浆液的粘度决定着浆液在一定的压力下于可灌裂隙内从灌浆孔向远处渗流的速 度，而内聚力则决定着浆液能够到达的最远距离。由于浆液的内聚力有限制浆液扩散的作 用，所以浆液的扩散距离总是有限的，灌浆所需的时间则取决于浆液的粘度。因此，国内 外学者推导出了许多宾汉流体在岩体裂隙中流动规律的表达式。 隆巴迪( 1 9 8 5 ) d 8 3 根据力的平衡，导出了在开度为6 ( 原文为2 t ) 的裂隙中浆液的 7 河海大学硕士学位论文 最大扩散半径： r 懈= 筹 ”6 ) 式中：一为最大灌浆压力； c 一为浆液的内聚力。 杨晓东( 1 9 8 7 ) 认为，当宾汉流体在裂隙中作低雷诺数的平面径向层流运动时，若 忽略浆体的流动惯性和重力作用，其流动的基本方程n 为： p = 异一等p r o ) 一等n 丢 ”7 ) 以翮。矗 、7 式中：p 一灌浆压力。 只一裂隙入口处压力； f 。一裂隙中浆液流动时呈塞流运动处的切力； q 一灌浆流量； ，一浆液扩散半径； 办一裂隙开度； 钻孔半径： ，7 一浆液的塑性粘度。 这一公式未考虑浆液粘度时变性和地下水的影响。 h a s s l e r 等人心0 2 门用渠道网络代替裂隙面，将二维辐射流简化为一维直线流。在单 条渠道内，浆液的运动方程为： q = 兰尘掣( 1 3 z + 4 2 3 ) ( 1 8 ) 舯弘叫 厶2 l u u ( f ) d 警 l 2 上两式中，q 为灌浆量；为渠道宽度；6 为渠道高度( 即裂隙开度) ；，j i l ，分别 为孔内及扩散距离l 处的压力水头；口o ) ，f 。o ) 为f 时刻浆液的塑性粘度和动切力；p 。为 塑性浆液密度；三为扩散距离。 从以上的分析和总结中可以看出，目前裂隙岩体灌浆理论都有各自的假设和适用范 围，有很大的局限性。其中共同点是都存在着裂隙隙宽的取值不明确，裂隙隙宽是灌浆理 论中被灌介质的一个很重要的参数，它的取值直接影响着计算结果的正确性；有些公式虽 然考虑了地下水的影响，但不够全面，而这些问题影响着灌浆扩散理论的正确性。以上公 式都不同程度的存在一些问题，需要考虑的因素应更全面一些，以使推导的理论公式更接 8 第一章绪论 近于实际，指导灌浆施工。 1 3 本文主要研究内容及技术路线 本篇论文从灌浆载体( 岩体) 的性质研究入手，先分析总结不同的岩体结构，岩体所 处的水文地质条件，研究得到适合灌浆理论研究的灌浆载体模型。接着在考虑上述载体模 型的基础上对灌浆理论中的灌浆压力选取、浆液扩散距离进行推演探究。最后，将上述理 论应用到滩坑水电站灌浆工程中，对于电站坝基的灌浆设计提出自己的看法。固本文的主 要研究内容如下： ( 一) 灌浆载体( 岩体) 的研究及灌浆地质模型 ( 1 ) 从工程地质的角度，研究岩体结构，主要包括岩体结构面，由结构面所划分的结 构体以及由上述两者所划分的岩体结构类型。 ( 2 ) 从水文地质的角度，以岩体结构为基础，考虑地下水在岩体中的移动，对不同的岩 体结构类型的含水性进行分析，将其分为含水体和隔水体。含水体和隔水体在地质体内分 布不同，形成了不同的水文地质结构类型。 ( 3 ) 从灌浆工程的角度出发，考虑水泥浆液在岩体裂隙内的可灌性，以上述岩体结构 类型和水文地质结构类型为基础，提出灌浆地质模型。 ( 二) 裂隙岩体中水泥浆液的扩散距离研究 首先对水泥浆流变性研究成果作一概括性的分析，以加深对水泥浆流变规律的认识， 归纳得到考虑时变性的水泥浆液流变模型。然后在考虑水泥浆时变性规律的基础上，分别 推导出计算水平、倾斜两种裂隙模型的浆液扩散距离公式。 ( 三) 灌浆压力研究 压水压力和灌浆压力引起岩体变形，变形程度取决于压力和岩体强度之间的关系。本 文研究灌浆过程中的岩体变形的类型，对灌浆工作的影响，其产生的应力、应变及地质条 件。通过研究岩体的变形并考虑岩体的地质条件，研究建立一套考虑岩体地质条件和岩体 变形的灌浆压力选取标准。 ( 四) 工程实例分析 结合上述研究内容，对浙江滩坑水电站岩体帷幕灌浆工程进行研究。首先，结合上面 灌浆理论的研究内容，将滩坑水电站地质资料中的数据和灌浆工作过程中得到的数据代入 理论公式，计算得到理论值，并将其与工程中采用的设计值进行比较、分析。其次，通过 灌浆过程中的数据、资料分析，评价滩坑电站帷幕灌浆效果。最后，对滩坑水电站帷幕设 计作出评价。 9 河海大学硕士学位论文 本文主要技术路线如图1 1 ： 图1 1 本文主要技术路线 l o 第二章岩体灌浆模型研究 第二章岩体灌浆模型研究 在灌浆工作中，灌浆载体是一个十分重要的概念。它是使灌注浆液增加有效面积所附 着的物体，包括岩石、土壤、混凝土或钢筋混凝土等。灌浆载体是灌浆处理的对象，它的 性质决定了灌浆设计，主要包括轮廓设计( 深度、厚度、方向、范围) ，结构设计( 孔的 布置形式，孔距等) ，灌浆施工工艺和施工方法。同时，灌浆载体也是灌浆理论研究的基 础和平台。脱离了载体的灌浆理论只是纯理论，不切实际不具有实际应用价值。这也导致 相对于比较先进的施工工艺，灌浆理论研究进展缓慢，灌浆设计仍处于半理论、半经验状 态。 岩体中的灌浆，是灌浆应用的一个重要方面。岩体结构面包括节理、裂隙、断层、层 间错动面等。岩体的渗透性大小主要由结构面决定。水利水电工程中的地基灌浆的主要目 的是封堵结构面，使其透水性降低到设计要求的程度，或提高岩体完整性使其强度达到设 计要求。欲做好岩体中的灌浆工作，就必须在对岩体结构、岩体水文地质结构特征研究的 基础上，考虑灌浆过程的特殊性，浆液的特殊性，建立适合的岩体灌浆模型。 2 1 岩体结构 岩体经历过多次而反复的地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成的特定的岩石成 份，特定的结构，赋存于特定的地质环境中。岩体是多相不连续结构，天然岩体在形成和 存在的漫长地质历史中不断的经受着多次、多种、长期的各种地质作用。这些地质作用使 岩体被尺寸、结构、方向、性质都不相同的裂隙切割，在其中分布着断层、破碎带、裂隙、 孔隙、空洞等控制浆液流动的不连续空间。因此，岩体结构与一定的地质作用密切相关。 这些在岩体内已开裂的和易于开裂的不连续空间被称为结构面，被结构面切割成的岩块称 为结构体。乜2 2 3 3 孙广忠( 1 9 8 8 ) 给岩体结构以明确的定义：不同类型的岩体结构单元在岩 体内的组合，排列形式定义为岩体结构。这个定义内有三个因素，即岩体结构由三个因素 构成的概念：第一个因素是岩体结构单元。岩体结构单元可以分为两类四种，即： 坚硬结构面( 干净的) ，结构面j li 软弱结构面( 夹泥的，夹层) 岩体结构单元，块状结构体( 短轴的) l结构体_ j 、 l 板状结构体( 长厚比大于1 5 ) 第二个因素是组合。组合是指不同类型的岩体结构单元在岩体内的搭配。第三个因素是排 列。如岩体结构单元是有序的还是无序的；是贯通的，还是断序的，都是排列的表现形式。 这三个概念因素基本上限定了岩体结构的差别。以此为依据，可将岩体划分为若干不同类 型的岩体结构。 1 l 河海大学硕士学位论文 2 1 1 结构面的类型及特征 结构面是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度 相对较小地质界面或带，它包含各种物质分异面和不连续面。如层面、节理面、劈理面、 断层、层问错动等。结构面的特征与其成因及形成过程密切相关。 2 1 1 1 结构面的分类 。 根据其成因类型可分为1 ： ( 1 ) 原生结构面主要是指在岩体形成过程中形成的结构面和构造面。 ( 2 ) 构造结构面它是在岩体形成后地壳运动的过程中，在岩体内产生的各种破裂面， 如断层面，错动面，节理面及劈裂面等。 ( 3 ) 次生结构面是指在外营力作用下产生的风化裂隙面及卸荷裂隙面。 根据其结合特征可分为口削： ( 1 ) 开裂结构面是结构面的主要成分。 ( 2 )闭合结构面这类结构面分为两类：弱胶结的，压力愈合的。 根据结构面性状，充填物性质及力学强度可分为瞵1 ： ( 1 ) 硬性结构面：结构面闭合无充填，或充填新鲜方解石，坚硬性构造岩，无软弱松 散物质，其两侧与坚硬岩石呈刚性接触，结合程度以一般为主，部分结合好。根据结构面 的整体起伏形态，起伏差及光滑程度可分为：平直光滑面、平直稍粗面、起伏粗糙面、极 粗糙面。 ( 2 ) 次硬性结构面：结构面闭合或充填新鲜方解石，坚硬性构造岩，其断续粘附有钙、 泥质薄膜或局部有零星溶蚀夹泥，与两侧岩石结合一般。 ( 3 ) 软弱结构面：结构面的绝大多数或全部为松散破碎或软弱松散物质充填，与两侧 岩石结合程度为差很差。 2 1 1 2 结构面分级 结构面分级是研究结构面地质规律的重要基础。结构面影响岩体力学作用的地质因素 有许多，尤其以充填状况及其规模具有重要的意义，结构面内夹有软弱物质的属于软弱结 构面，无充填物质则属于坚硬结构面。按结构面的延展长度，切割深度，破碎带宽度，力 学性质分为五级二类。其中i 、i i 级属于软弱结构面，i 、v 级属于坚硬结构面乜引。 i 、i i 级结构面的特点是规模大，破碎带宽度较大，变化较大，这种厚大结构面的上 下盘面形态及其结构面内物质特征和结构面产状及其组合特征很复杂，它对灌浆工作中的 压力选取，浆液流动，浆液充填固结机理等有重要影响。 i 、i i 级结构面内的灌浆不同于一般的裂隙岩体灌浆，它需要采用不同灌浆理论。对 灌注浆液的扩散半径的计算，灌浆压力的选取要特别分析。在灌浆工作中，这种类型的结 构面比较少见，一般只有数条这样的结构面。但是它对于灌浆工作的成败起着控制性的作 用，因为，这种大规模的结构面往往是地基中的主要透水通道。如果没有处理好这种结构 面，将导致整个灌浆工作的失败。 1 2 第二章岩体灌浆模型研究 、级结构面延展仅数米及几十米，一般未经错动或微错动不夹泥，这种结构面属 于坚硬结构面。其连续性差，面粗糙，在工程岩体内属于非贯通性的，它们大多数影响岩 体的透水性，但不一定具有控制作用。这种结构面在岩体灌浆工作中较为常见，是灌浆工 作封堵、处理的主要类型。 v 级结构面多粗糙，弯曲，无软弱物质充填，属坚硬结构面。其在岩体中大量分布。 由于开度、延展方向、粗糙性等差异，在灌浆中表现出不同的可灌性。对于这类结构面是 否需要处理，是否能够被处理，是灌浆工作中的难点。 2 1 2 结构体的类型及特征 岩体被结构面切割成的分离块体或岩块称为结构体。结构体是具有一定的地质实体特 征的概念术语，它是将地质信息抽象为地质模型和力学模型的有价值的要素之一。它同样 也是灌浆模型的建立的基础之一。结构体特征可以用结构体形状、块度及产状描述。在进 行结构体研究时，同样也要对结构体进行分类。 2 1 2 1 结构体的类型 结构体分类主要依据于结构体形状。结构体的形状与切割岩体的结构面的组数有关； 而结构面的组数与结构面的力学类型有关，软弱结构面在一个小区域内很少超过三组，坚 硬结构面可多至五组、六组。与此相应，结构体形状也有多种瞳钔。 按照直观观察结构体形状有：板状结构体、柱状结构体、六面体状结构体、四面体状 结构体。 按其力学作用功能有：块状结构体包括柱状、楔锥状结构体，结构体各向尺寸接 近相等或相若，其力学作用以压碎、滚动、滑动为主；板( 柱) 状结构体板的厚度与 长度或宽度比小于1 ：1 5 ，其力学作用主要为弯曲变形和溃折破坏。 2 1 2 2 结构体的分级 与结构面一样，结构体也是有级序的。对结构体来说，结构体级序也是研究结构体特 征的基础。结构体分级主要依据于切割成结构体的结构面类型或级序及结构体的块度。对 工程岩体来说，与切割成结构体的结构面类型相对应，结构体可以分为两级： ( 1 ) i 级结构体被软弱结构面切割成的大型岩块； ( 2 ) i i 级结构体被坚硬结构面切割成的小型块体。 2 1 3 岩体结构类型划分 对岩体结构类型的划分应充分考虑岩石的组合特征和岩体的构造变形程度，依据结构 面和结构体的组合情况和连通性，进行划分，还应从结构上充分反映岩体不均一性和不连 续性所形成的特征。据此，岩体结构可以分为两级，即软弱结构面切割下形成的块裂结构 和板裂结构，属于一级结构；在坚硬结构面切割形成的岩体结构，属于二级结构。坚硬结 构面切割下形成的二级结构岩体，按