（岩土工程专业论文）水电站引水隧洞固结灌浆试验研究.pdf

摘要 灌浆，就是利用液压、气压或其它方法，通过灌浆钻孔或置入其中的灌浆 管将具有胶凝能力的浆液注入岩层( 或土层) 中的裂隙、空隙与空洞中，将其中 的水分与空气赶走，将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构 新、强度大、防水抗渗性能强和化学稳定性良好的“结石体”，以达到改善岩( 土) 层性能为目的的一种施工方法。 狮子坪水电站是杂谷脑河流域的龙头水库电站，位于四川阿坝州理县境内。 水库总库容1 3 2 7 亿m 3 ，调节库容1 1 8 9 亿一，为年调节水库。总装机容量 1 9 5 姗( 3 6 5 姗) ，保证出力5 9 9 m w ，年发电量为8 7 6 亿硼h 。该电站为二等 大( 2 ) 型工程。枢纽工程由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三部分组成。其中引 水隧洞长1 8 7 1 k m ，引水流量6 1 4 1 i i l ，s ，调压室为双室式型式，压力管道采用 一根主管经两面三刀个“卜”形岔管分为三条支管向机组供水。 本文根据现场实际情况，选择有代表性的类典型围岩两个试验段；一为 杂谷脑组段( k 8 + 9 2 3 m k 8 + 9 4 3 m ) ，二为侏倭组段( k l + 9 0 5 m k l + 9 1 5 m ) 。每个试 验段又分若干不同区段和选取不同的灌浆此参数进行灌浆试验。同时在杂谷脑 组和侏倭组选取两组段i 类典型围岩的作为参照组。 本文的主要工作是： 1 ) 通过选取不同的钻孔的间排距、灌浆压力等参数，确定合理的灌浆参数。 2 ) 测定典型类围岩中杂谷脑组和侏倭组的岩体波速、弹模、透水率； 3 ) 测定典型i v ( 中等偏好) 类围岩中杂谷脑组和侏倭组的灌前、灌后岩体波 速、弹模、透水率； 4 ) 通过对照比较典型( 中等偏好) 类围岩的灌前、灌后岩体波速、弹模、 透水率，对岩体可灌性和固结灌浆效果进行评价； 5 俐用有限元分析软件a n s y s 建立模型模拟引水隧洞情况，对比灌浆前后 的隧洞断面有限元软件模拟情况结合现场试验收集的真实的试验数据对照比较 类围岩与( 中等偏好) 类围岩灌后岩体波速、弹模、透水率提出类围岩洞 段永久支护结构设计优化的建议意见。 关键词：灌浆试验透水率灌浆压力抬动变形弹性模量 a b s t r a c t g r o u t i n g , t h a ti s ，u s et h eh y d r a n l i c ，p n e u m a t i cp r e s s u r eo ro t h e rm e t h o d s ， t h r o u g ht h eg r o u t i n gh o l e so rb u i l t - i nt u b em a n a g et oi n j e c tc e m e n t i t i o n sg r o u t i n gt o r o c kl a y e r s ( o rs l u r r y ) o ft h ef r a c t u r e ，s w e e p sa w a ye m p t yg a p ，w a t e ra n dt h ea i r , c e m e n t sc r a c k so rl o o s es o i lp a r t i c l e si n t oaw h o l e ，c r e a t e san e ws t r u c t u r e ，s t r e n g t h , i m p e r m e a b l ew a t e r p r o o fs t r o n ga n dg o o dc h e m i c a ls t a b i l i t y , 。c a l c u l u s t oi m p r o v e t h er o c k ( c l a y ) s o i ll a y e rf o rt h ep u r p o s eo fi m p l e m e n t a t i o na sam e t h o d z a g n n a or i v e rs h i z i p i n gh y d r o p o w e rs t a t i o ni st h el e a d i n gh y d r o p o w e rs t a t i o n , l o c a t e di na b aa u t o n o m o u st e r r i t o r ys i c h u a n r e s e r v o i rc a p a c i t yo f1 3 2 7m i l l i o nm 3 ， a l m u a lr e g u l a t i n gc a p a c i t yo f1 1 8 9m i l l i o nm 3 at o t a li n s t a l l e dc a p a c i t yo f1 9 5 m w ( 3 x 6 5 m w ) t oe f i s u r ct h a tt h ec o u n t r y5 9 9 m w a na n n u a lg e n e r a t i o nc a p a c i t yo f8 7 6 m i l l i o nk w t h ep o w e rp l a n ti st h es e c o n dl a r g e s t ( 2 ) h y d r a u l i cp r o j e e t h i n g e p r o j e ti sm a d eo ft h ef i r s th u b t h eh u bd i v e r s i o nw a t e rs y s t e m sa n dp l a n tw o r k s h o p c o m p o n e n t s ，w h i c hh a s1 8 7 1 k i nl o n gd i v e r s i o nt u n n e l ，t h ew a t e rf l o w s6 1 4 1 m3 s ， s u r g ec h a m b e ri st w o - c h a m b e rt y p e p r e s s u r ep i p e l i n e i su s e dam a i nt u b ew h i c h m a d eo ft h r e eb i f u r c a t i o np a r t sa sas h a p eo f ”h ”t oa f f o r dw a t e rt oe n g i n eu n i t s b a s e do nt h ea c t u a lf i e l d 。c h o o s et w ot e s t ，ar e p r e s e n t a t i v ei vt y p i c a lr o c k ：o n e z a g u n a o g r o u p ( k 8 + 9 2 3 m - k s + 9 4 3 m ) ，t h eo t h e rz h u w o z u ( k l + 9 0 5 m k l + 9 1 5 m ) e a c ho ft h eg r o u p sw h i c hi sd i v i d e di n t os o m ep a r t si sc o n d u c t e dt e s tb yd i f f e r e n t g r o u t i n gp a r a m e t e r s a l s oi nb o t hz a g n n a og r o u pa n dz h u w o z us e l e c t e dt w oo ft h e g r o u pi i it y p i c a lr o c ka sar e f e r e n c eg r o u p t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w ： 1 1s e l e c t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ed r i l l i n g , g r o u t i n gp a r a m e t e r ss u c ha s p r e s s u r e ，f i l l i n gar a t i o n a lp a r a m e t e r s 2 、d e t e r m i n a t i o ni l lt y p i c a lr o c kz a g n u a og r o u pa n dz h u w o z ug r o u pv e l o c i t y , e l a s t i cm o d u l u s ，p e r m e a b i l i t yr a t e 3 1d e t e r m i n a t i o no ft h et y p i c a li v ( m e d i u mp r e f e r e n c e ) z a g u n a nt y p er o c k g r o u pa n dt h ez h u w o z ug r o u pr o c kv e l o c i t y ，e l a s t i cm o d u l u s ，p e r m e a b i l i t yr a t e , a l l w h i c ha r ed o n eb e f o r ea n da f t e rg r o u t i n g 钔c o m p a r i s o n so ft y p i c a li v ( m e d i u mp r e f e r e n c e ) t h ep a r a m e t e r so fr o c k s ， b o t hb e f o r eg r o u t i n ga n da f t e rg r o u t i n g ，r o c kv e l o c i t y ，e l a s t i cm o d u l u s p e r m e a b i l i t y r a t e 。e v a l u a t i o nt h ef e a s i b i l i t yg r o u t i n go ft h er o c km a s sr e s u l t s 5 、u s i n go ff m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y ss i m u l a t i o nm o d e ld i v e r s i o n t u n n e l c o n t r a s tg r o u t i n ga r o u n dt h et u n n e ls e c t i o nc o m b i n e dw i t ht h ef m i t ee l e m e n t s i m u l a t i o no ft l l er e a lt e s td a t aw h i c hd o n ei nt u n n e l c o m p a r i s o n si i ia n di vr o c k ( m e d i u mp r e f e r e n c e ) a f t e rr o c kg r o u t i n gv e l o c i t ya n de l a s t i cm o d u l u sp e r m e a b i l i t y r a t e b r i n gp e r m a n e n ts u p p o r ts t r u c t u r ed e s i g no p t i m i z a t i o no ft h es u g g e s t i o n sa n d v i e w s k e y w o r d s ：g r o u t i n ge x p e r i m e n tp e r m e a b i l i t yr a t e g r o u t i n gp r e s s u r e r a i s ed e f o r m a t i o ne l a s t i cm o d u l u s 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 水工隧洞是以输水为目的在地下开凿而成的建筑物。据不完全统计，1 9 9 2 年前我国兴建的水工隧洞总长度为3 1 3k m ，其中大于1k m 的隧洞6 5 条，总长 度为2 7 4 3 7 2k m ，而1 9 9 7 年统计长度大于1k m 的隧洞1 1 3 条，总长6 0 8 3 1 k m ，短短几年间水工隧洞的数量和总长度就增加了一倍。并且随着改革开放和 工农业的迅速发展，我国对电量的需求越来越大，水电站的开发和建设将迎来 更大的发展空间。8 0 年代前引水发电隧洞，由于地形地质及技术水平和经济实 力限制，长度超过1 0l 【m 的水工隧洞只有两条而近年来兴建的大于1 0k m 的水 工隧洞有1 1 条，随着技术的不断发展和成熟，可以想象未来的引水隧洞会越来 越长，建设规模也越来越大，建设过程中的引水隧洞的工程量的所占整个工程 量的比重也越来越大，引水隧洞的进展和质量将影响整个工程的的进展和质量。 所以在保证工程质量的同时，如何改进施工方法提高施工效率就显得越来越重 要。 狮子坪电站引水隧洞固结灌浆试验研究就是基于就如何改进施工方法和提 高施工效率的思想下提出的。狮子坪电站引水隧洞总长1 8 7 1 1 0 4 。，按原设计引 水隧洞的永久支护结构为：i i 、类围岩洞段采用锚喷支护，、v 类围岩洞 段采用钢筋混凝土衬砌。目前，由于部分洞段开挖的滞后，已影响明年发电的 直线工期，特别是、v 类围岩洞段仍采用钢筋混凝土衬砌，根本满足不了工 期的要求。借鉴金康电站、小天都电站等工程对类围岩洞段采取固结灌浆加 固围岩后采用锚喷支护的成功经验，若狮子坪电站引水隧洞类围岩洞段采用 “围岩固结灌浆+ 挂网锚喷”的支护方式，一方面可节约工程投资，另一方面 由于灌浆和锚喷施工可与隧洞开挖平行作业，从而缩短隧洞施工的直线工期。 这对于改善狮子坪电站引水隧洞工期严重滞后的状况保证发电工期具有重大意 义。鉴于引水隧洞围岩类别主要为类，为验证该设计方案的安全可靠、施工 可行和经济合理性，建议开展现场固结灌浆试验。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 灌浆浆技术的历史与发展 1 2 1 概述 灌浆是岩土工程中一门专业性很强的学术分支，用灌浆处理各种岩土工程 问题，特别是在引水隧洞中加固围岩，提高施工效率和加快施工进度中已成为 常用的方法。随着灌浆技术的日益成熟和发展，它的应用范围和作用逐渐扩大。 灌浆，它具有充填、压密、粘合和固化四种作用。其作用大小随被灌岩体的性 状、灌浆材料的类型、压力大小和施工工艺而定。由于各种工程的要求不同， 通常利用灌浆可达到以下目的：封堵通道，减小渗漏损失：固结或稳固松散 颗粒和破碎岩石，提高地层的力学强度，使能安全地围护和支撑建筑物：对有 缺陷或损坏了的建筑物进行补强修理：对置入地层中的斜孔、锚杆、锚索等进 行固定和保护：利用预压骨料法，建造特殊部位的混凝土构筑物。 实践经验表明：灌浆在堵漏方面的效果极为显著：在提高岩土的抗压强度方 面，效果也比较理想，而在提高抗剪强度方面不甚显著。 1 2 2 国外灌浆术发展概况 据文献记载灌浆法的最早采用是在1 8 0 2 年，由法国的查理士贝利尼 ( c h a r l e s b e r i g h y ) 所发明，最先用在对第厄普( d i e p p e ) 冲刷闸的修理上。大 约在1 8 5 5 1 8 5 8 年间，英国的w r 基尼普尔( k i n i p p e ) 在作了一系列试验之 后，第一次把水泥用于灌浆。化学灌浆是在1 9 2 0 年由德国的尤斯登( 1 0 0 s e n ) 首先使用水玻璃和氯化钙作为灌浆材料开始出现的，到6 0 年代中期，灌浆材料 己达3 0 多种。所有这些发明与创造，都为现代灌浆技术奠定了基础。 就其发展阶段大致可分为四个阶段：原始粘土浆液阶段( 1 8 0 2 年1 8 5 7 年) ，初级水泥浆液灌浆阶段( 1 8 5 8 年1 9 1 9 年) ，中级化学浆液灌浆阶段( 1 9 2 0 年1 9 6 9 年) ，现代灌浆阶段( 1 9 6 9 年以后) 。 灌浆技术的发展已有二百多年的历史。法国人开辟了灌浆施工的先河：英国 于1 8 6 4 年在阿里因普瑞贝矿首次用水泥灌浆对井筒进行灌浆堵水，成功的解决 了井筒漏水问题。随着硅酸盐水泥的发明，水泥开始成为灌浆的主要材料。1 9 1 0 年，采用了自动记录压力表，根据记录的灌浆性状，作了系统的研究，建立了 灌浆压力和渗透性之间的关系。1 9 2 0 年荷兰采矿工程师e j j o o s t e n 首次论证 了化学灌浆的可靠性，采用了水玻璃、氯化钙双液双系统的两次压注法，并于 1 9 2 6 年取得了专利。灌浆技术有系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( h o o v e rd a m ) 水坝的帷幕灌浆，为了补救因基坑开挖引起的裂缝，进行了加固 灌浆。根据胡佛坝基的灌浆工程实践，首次制定了灌浆工程设计和施工规范。 本世纪4 0 年代，灌浆技术的研究和应用得到了迅速的发展，各种水泥浆材和化 学浆材相继问世，特别是6 0 年代以来，各国大力发展新型灌浆材料，灌浆工艺 和设备得到了空前的进步，其应用范围越来越广。 1 2 3 国内灌浆技术发展概况 灌浆法在我国的大量采用，是在1 9 4 9 年新中国成立以后，经过多年来的试 验研究和实际应用，在水泥、粘土等传统材料的灌浆技术上有了很大的发展和 提高。钻孔方法从原来只能采用手风钻、铁砂或钢粒、硬质合金钻进，已发展 到可以大量采用人造金石钻进和深孔潜孔冲击钻进，施工效率大大加快。灌浆 分段的阻塞方式现在有了更多的型式，自乌江渡坝开始，相继又在龙羊峡、东 江、大化、于桥、托海以及南谷洞等许多引水隧洞中采用的孔口封闭，孔内循 环，全孔一次灌浆。对于水工隧洞固结灌浆其目的在于提高围岩的均匀性和整 体性，以提高隧洞衬砌与围岩的刚度，加快施工进度。灌浆设备的承压能力， 已可达6 8 m p a 。 现在，我国己能进行各种类型的灌浆设计和施工，许多方面己达世界先进 水平。 灌浆技术在国内主要应用在水工部门，水工建筑物采用灌浆技术改善复杂 地基性能，解决了许多建筑物防渗和加固难题。目前我国已在吉林省一级水电 站导流洞，洪家渡水电站水工隧洞等一些列已经完工或在建实施固结灌浆，收 到了较好的工程效果和社会经济效益。 从1 9 6 4 年开始，在湖南水口山矿山进行防水帷幕的灌浆施工，可以说，经 几十年灌浆工作者的努力，我国水利水电工程建设中，在灌浆工程领域特别在 帷幕灌浆和固结灌浆这方面已具备了众多的材料种类和工艺技术，积累了丰富 的工程经验，其中某些方而已达到了相当高的水平，和国际上也逐步接轨，在 某些方法上有独到之处。 在我国铁路建设中，山岭隧道的施工也广泛应用了灌浆法。在地表进行帷 幕灌浆以截断地下水对隧道开挖的影响，同时在隧道开挖的工作而上进行预灌 浆以加固围岩，堵塞地下水；在我国城市地铁建设中，人们应用灌浆法以提高 施工的安全性。如在北京地铁建设中，人们用改性的水玻璃浆液加固和固结细 砂层，以顺利通过细砂层，而在广州地铁施工中则使用加有超细水泥的粘固化 3 武汉理工大学硕士学位论文 浆液固结水砂层。 总之，固结灌浆起始于水工建筑物的加固围岩，增加围岩强度，随着经济 的发展，铁路，城铁以及其它地下工程也把固结灌浆引入了相关领域，并使固 结灌浆得到了进一步的发展。 1 3 灌浆技术在工程中的应用 灌浆技术在岩土加固中的应用主要包括以下几方而： ( 1 ) 大坝灌浆加固及防水 大坝灌浆始于二十世纪二十年代，主要有坝基加固和帷幕灌浆，兼有防渗 与加固的双重作用。国外典型实例主要有瑞士的m a t t m a r k y 大坝，塞浦路斯的 y e m a s o y i a 大坝，美国的r o c k y - - b e a c h 大坝，德国的f r a l l e n a u 大坝，英国的 w i m b l e b a l l 大坝。在国内有葛州坝，龙羊峡大坝，一滩电站及举世瞩目的三峡 工程。 ( 2 ) 建筑物基础托换 各类房屋、塔基等，常因各种原因发生沉降并导致上部建筑物的不均匀下 沉和开裂，危及建筑物的安全和使用。用灌浆法加固基础下面的孔隙和软弱土 层，可以制止基础继续下沉，而且能将建筑物回升，使小均匀沉降减小。 ( 3 ) 隧道及地铁工程 隧道，尤其是水下隧道及城市地铁开挖过程中常常会遇到软弱破碎带及涌 砂涌水现象，致使工程无法正常施工。解决这些难题的首选方法之一就是灌浆 法。 ( 4 ) 盾构隧道、基坑工程、管线保护等的跟踪灌浆加固 当盾构向前推进时，由于盾构外径比衬砌外径大，随即出现盾尾的空隙， 需采用灌浆的方式及时充填处理，减小土体挠动，防止土体坍塌，在基坑工程 中，对支护结构变形，可在壁后跟踪灌浆充填法进行加固。 ( 5 ) 竖井灌浆 在竖井开挖过程中，常遇到流沙和不稳定地层，用灌浆的方法进行加固处 理后再施工。 ( 6 ) 建并穿过含水层灌浆 在建井工程中，会遇到井巷穿过含水层，用灌浆堵水的方法，加固井巷周 围的含水层，阻止地下水向井巷施工而渗透，保证井巷顺利通过。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 加固桥索支座岩体 用水泥或高强度化学浆，提高桥梁岩石支座的力学强度和完整性。 ( 8 ) 其它特殊工程的应用 例如，地下核电站工程、混凝土裂纹修补工程和混凝土壁后灌浆工程等。 可以预料，随着各项建设事业的更大发展，对固结灌浆法的需求将与日俱 增，它所发挥的作用亦将愈来愈大。因此，继续发展灌浆技术，研究灌浆理论 和灌浆控制方法具有重要意义。 1 4 岩体灌浆技术的发展趋势 岩体灌浆技术未来发展趋势主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 由于地层内部构造的复杂性和多变性，浆液在地层中特别在地下隧道和 地下厂房的流动的隐蔽性，以及浆液自身性质的多样性，给灌浆理论研究带来 了很大的困难，因而，理论研究相对工程实际需求还相差很远。为了更好地满 足工程实践的需要，要加强关于理论方面的研究，以便从总体上提高灌浆技术 水平。目前尚需要研究的方面0 4 1 有：灌浆加固体的本构方程，灌浆的作用和效 果检测、浆液的充填机理、灌浆的加固力学作用、灌浆基本理论与观念、灌浆 工艺等。 ( 2 ) 在灌浆材料方面需要研究的方面：浆液流体力学及本构方程、要开发来 源广、对环境无污染、施工方便、成本低、性能优越、结石体强度高、收缩率 较低等灌浆材料。 ( 3 ) 在灌浆工艺方面，研制施工效率高的钻孔设备、大型浆液制备系统、灌 浆的自动记录和监测反馈控制系统。同时由于灌浆概念的转变，导致了新技术、 新工艺的产生和发展即传统渗透灌浆向劈裂灌浆转变以及相应传统的灌浆方式 逐步向“高压”灌浆工艺发展。所谓“高压灌浆”目前尚无确定的概念，它依 据灌浆理论及工艺设备技术的发展而来其具有不同的界定范围，即灌浆压力超 过以往由经验确定的、考虑被注区域上覆材料重量来确定压力以确保灌浆效果 的观点己经被越来越多的灌浆技术人员接受。许多灌浆专家认为，在完整岩石 中灌浆没有劈裂的危险，可以施加非常高的灌浆压力。高压带来的岩体某种程 度的弹性变形是有好处的，因为这有助于浆液从钻孔中渗入岩石原有的裂隙系 统，扩大了灌浆渗透范围，使浆液在灌浆孔周围的岩体范围更加饱满。国外高 压灌浆技术自8 0 年代以来，在阿根廷、奥地利、厄瓜尔多、墨西哥等许多国家 5 武汉理工大学硕士学位论文 得到了应用。例如1 9 8 6 年，墨西哥阿瓜米尔( a g l l 锄i l p a ) 坝成功应用g i n 灌浆 技术m 。但高压灌浆容易造成地表抬动增加了高压灌浆的难度，影响其进一步 的发展，因此高压灌浆理论和应用条件有待于进一步的改进。 1 5 本课题研究的内容和主要工作 1 ) 在试验区域通过选取不同的钻孔的间排距、灌浆压力等参数，确定合理 的灌浆参数。 2 ) 测定对照组典型类围岩中杂谷脑组和侏倭组的岩体波速、弹模、透水 率；作为灌浆试验组的参考数据。 3 ) 测定典型( 中等偏好) 类围岩中杂谷脑组和侏倭组的灌前、灌后岩体波 速、弹模、透水率； 4 ) 通过对照比较典型1 v ( 中等偏好) 类围岩的灌前、灌后岩体波速、弹模、 透水率，对岩体可灌性和固结灌浆效果进行评价； 5 1 利用有限元分析软件a n s y s 建立模型模拟引水隧洞情况，对比灌浆前后 的隧洞断面有限元软件模拟情况结合现场试验收集的真实的试验数据对照比较 类围岩与( 中等偏好) 类围岩灌后岩体波速、弹模、透水率提出类围岩洞 段变全断面衬砌为灌浆锚喷支护结构设计优化的建议意见。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章灌浆基本理论 在水利水电工程建设中灌浆作为加固、防渗手段扮演着越来越重要的角 色。同时在工程建设和实践过程中，人们通过不断的实践、摸索、总结和不断 的创新，灌浆理论与技术得到持续发展。 引水隧洞灌浆的理论核心是作用机制，尽管灌浆理论在不断探索和发展， 但作为各个引水隧洞灌浆理论的支撑基础，仍以水泥浆液的流变学( r h e o l o g y ) ， 灌浆载体裂隙分布的蒙特卡洛( m o n t e c a r l o ) 模拟，以及设计试验中的有关灌浆 参量( 浆液的性质，灌浆压力的选择以及灌浆孔位布置) 的计算公式等为基础。 2 1 浆液基本概念 根据流变学观点，任何灌浆载体或浆液基质均可用流变模型来描述。诸如 灌浆载体中服从胡克定律的弹性体。水泥浆液一般用粘性及塑性一粘性来界定。 这就是常说的牛顿( n e w t o n ) 体和宾汉姆( b i n g h 锄) 体。于是，灌浆载体在弹性 与塑性之间变化；浆液基质在粘性与粘一塑性之间变化。灌浆的实旌就是这两 者变化的组合与调节。 2 1 1 牛顿体( n e w t o n ) 牛顿体，是牛顿流体的简称，是指只有粘滞力的流体，其切应力( f ) 与切 j 。 应变( 华) 之间满足“牛顿粘滞定律”的流体，可用公式表示为； 戤 j ， f - 玎! ! =( 2 1 ) d x 式中r 一粘滞系数，又称动力系数，简称粘度，p a j 粘滞性亦称“内摩擦”，它是液体、气体和等离子体内部阻碍其相对流动的 一种特性。如果在流动的流体中平行于流动方向相反的阻力或曳力存在。这种 阻力或曳力，称为“粘滞力”或叫做“内摩擦力”。 浆液具有粘滞毋庸置疑，当它沿着灌浆载体裂缝缝壁流动，紧接的一层浆 液会附着其上，邻层浆液则相对于该层滑动。 “附着力”指两种不同介质接触部分的相互吸引力，它只有在其分子小于 1 0 - 6 c m 时才呈现出，浆液与被灌浆固体的接触部位同样呈现附着力，而固体缝 7 武汉理工大学硕士学位论文 隙，哪怕是密闭紧合也不可能呈现现附着力。这就是为什么采用液态的浆液材 来防渗、加固与补强灌浆载体的缘由。另外，正因为这种附着力的存在，又使 滑动、扩散、渗透的距离不可能无限延伸，故出现了灌浆时效问题，浆液是稀 好还是稠好之争等等。 水是典型的牛顿流体，刚刚制备好的稀薄粘土浆及某些化学浆液都具有牛 顿流体的性质。 2 1 2 宾汉姆体( b i n g h a m ) 宾汉姆体，是宾汉姆流体的简称，是指同时具有粘性与塑性的流体。 所谓塑性，通常指材料或物体受力时当应力超过屈服点后，能产生显著的 变形而不即行断裂的性质。这种显著的变形是非线性且不可逆，而弹性变形是 可逆的并呈线性的。 对于水泥或水泥粘土浆液，通常能用( f ) 及粘聚力( c ) 两个参数量确定的 稳定的悬浮浆液，加上浆液的比重( r ) 就可以呈现流体内在的流态。用宾汉姆 流变理论可以表示为： ，l f 。c + r ! ! 二 ( 2 2 ) 。出 我们知道，悬浮浆液是指固相颗粒( 线性大小在0 1 u m 以上) 悬浮于液相中 的一种多相分散系统。它不能进入比水泥颗粒尺寸还窄的裂隙，届时就需要寻 求利用液相配制的化学浆材去替代，否则宾汉姆体流变模型失去真实意义。另 外，在宾汉姆体应用中，还存在一个有影响的限制因素，这就是在流速很高的 情况下，当流态从层流变到紊流时其误差较大。 2 1 3 牛顿体与宾汉姆体的区别 只有粘性的牛顿体与既有粘性又有塑性的宾汉姆体区别可以从图2 一l 看 出，其差别在于后者比前者多一个粘聚力( c ) 。另外，在f 一竿关系曲线上，后 积 者表明为非线性且不可逆，前者则表现为线性可回复。 宾汉姆体比牛顿体具有较高的流动阻力，这使它要在更大的压力下才可能 扩展到较远的距离，而且很难进入细小缝隙，这是它不利的一面，但在大裂隙 中需要限制浆液的扩散距离时，使用这种浆液较为有效，它能降低浆液中的粗 颗粒( 例如砂子) 下沉和分离的速度，并能保持浆液在较长时间内具有良好的可 泵性。水灰比小于1 的水泥浆，具有宾汉姆体的性质。 8 武汉理工大学硕士学位论文 水泥浆由牛顿体转变为宾汉姆体的临界水灰比，与水泥的种类、细度、颗 粒形状、在浆液中的分散程度和搅拌时间等许多因素有关，多数的粘土浆都属 于宾汉姆体。 图2 - i 牛顿与宾汉姆体区别 i 一牛顿体( 仅限粘度) i i - - 宾汉姆体( 既有粘度又有塑性) 2 2 灌浆机制 与灌浆工艺、灌浆设备和灌浆材料的快速发展相比，灌浆理论特别是裂隙 岩体的灌浆理论发展却很缓慢。裂隙岩体灌浆理论可以归纳为多孔介质灌浆理 论、拟连续介质灌浆理论、裂隙介质灌浆理论等。 2 2 1 多孔介质灌浆理论 多孔介质灌浆理论首先得到应用和发展。1 9 3 8 年m a a g 推导出牛顿浆液在砂层 的球形扩散公式旧，其理论模型见图2 - 2 ，扩散公式为 日如器唼一p 1 ( 2 - 3 ) 其中：r 为浆液的渗透半径，c m ；k 为土体的渗透系数，c m s ；芦为浆液粘度与 水的粘度之比；n 为土体的孔隙率；为灌浆点静水压力水头，c m ；h 为灌浆点 总压力水头；t 为灌浆时间，s ；r o 为灌浆管的半径，c m 。 常见的球形扩散公式还有r a f f l e c , r c e n w o o d 公式“” t 。邵悟- 1 ) 一p 2 - 1 i ( 旦右- 1 ) 】 4 ， 9 武汉理工大学硕士学位论文 n _ i l o - 最心甘i 1l s ， 假定b = l ，并且( h _ n ) 一定，当r 从民变化到无穷大时，从( ( 2 3 ) 式可 以看出q 从无穷大变化到4 k r o t ( h - ) ，如果一直灌浆下去，灌浆量q 还是无 穷大。而应用r a f f l e g r n w o o d 公式( 2 5 ) q 则从4 3 腑o ( 日一h o ) 变化到 4 kr ot ( h - h o ) 。可见r a f f l e g r e e n w o o d 公式更为合理，这是因为 r a f f l e - g r e e n w o o d 公式不仅考虑了地下水的静压作用，而且认为注入的浆液驱 使土中孔隙水的运动并产生粘性阻力损失。另外m a 鹤公式没有考虑土体自身 的力学指标( 如变形模量和剪切强度等) ，而这势必影响浆液的扩散。 另外还有柱形扩散公式2 1 牛顿浆液： n 跞 上式的理论模型见图2 3 。 宾汉姆浆液： r - i i i i， i 凡 l 一6 j一i f i 辜 垒 图2 - - 2 m a a g 浆液球形扩散模型图2 3 浆液柱形扩散模型 1 0 ( 2 - 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 其中e - 兰篆；皿为裂隙岩体的单位厚度裂隙率；厶为孔隙直径；d 0 为 土颗粒直径；昂和最分别为浆液在灌浆孔壁和r 处的灌浆压力；p 为浆液的塑 性粘度；r 为浆液的扩散半径；a 为试验常数；口- 坦；n 为土体的孔隙率。 从上述的扩散公式可以看出，浆液在多孔介质中的扩散半径r 为时间t 、 浆液粘度_ i l 、土体孔隙率n 、土体渗透系数k 以及灌浆压力p 的函数，即 r - f ( t ，玎，七，p ) 。 若应用于各向异性岩体，则可将( 2 6 ) 式中的地层渗透系数k 换位裂隙岩体 的等效渗透系数七， 七一丢七， ( 2 8 ) d 其中：七，为裂隙的渗透系数；e 为裂隙张开度；d 裂隙间距。 2 2 2 裂隙介质灌浆理论 由于天然岩体内裂隙分布复杂，目前裂隙介质灌浆理论只限于研究浆液在 光滑的单一裂隙内的流动规律。不少学者假定浆液为牛顿型，得到了浆液在裂 隙中的渗透规律。 刘嘉材推导了浆液沿裂隙面径向流动的扩散方程恤1 ，其理论模型见图2 - 4 图2 4 刘嘉材模型示意图 武汉理工大学硕士学位论文 r 塑盟燮笙尸+ ( 2 - 9 ) l p j 式中：为灌浆孔内压力，k p a ；p o 为裂缝内地下水压力，k p a ：其他意义同上 b a k e r ( 1 9 5 5 ) 假设灌浆孔横穿宽度为6 的单一光滑裂隙，通过图解法得出了 浆液在裂隙中的渗透规律 q 一万y 肚3 ，【6 p l n ( r ) ( 2 1 0 ) 改进的b a k e r 公式( 1 9 7 4 ) 为 最母警h 争+ 筹哮一书 其中：昂为钻孔半径处的灌浆压力；最为r 处的灌浆压力；c 为裂隙宽度； q 为浆体的浆液流量；表示水的重度；以浆液密度；p 为浆液动力粘度。 式( 2 1 1 ) 第一项表示因摩擦造成的压力损失；第二项表示辐射流中因动能 改变而改变造成的压力损失，通常可以忽略不计。 大多数粘土浆液和一些化学浆液都属于宾汉姆流体。水泥浆的水灰比w c 小于1 时，水泥浆液也属于宾汉流体嘲。w i t t k e 豫2 蚰、w a l l n e r 嘲、h b 加宾啷、 g l o m b a r d i 2 2 5 】和a m a d e i 啪1 等相继推导了宾汉姆流体在裂隙中的流动规律。 根据w a l l n e r ( 1 9 7 6 ) 公式可以得宾汉姆浆液在一维水平裂隙中的流量叫 q - 訾( 1 一鲥圳3 ) ( 2 - 1 2 ) 其中川岫l 东抚卦“为水的密度；e 为裂隙张开度裂隙 间距；为浆液的粘度；浆液的屈服强度；l 为裂隙长度。 h b 加宾推导了单一水平裂缝中浆液辐射流动时的压力公式 p 。塾堡二尘+ 铆l n ( r r o )( 2 1 3 ) 若考虑倾斜裂隙中的重力影响，上式变为 p 一掣+ 3 q u j t 丁n ( r t o ) r 。r s i n 日( 2 - 1 4 ) 其中：y 。为浆液的重度；0 裂缝的倾角；裂缝向上倾斜时用“+ ”；裂缝向 武汉理工大学硕士学位论文 下倾斜时用“一”。 g l o m b a r d i 公式嘲 垒 ( 2 一1 5 ) i 0 式中：j k 为浆液最大扩散半径；f 眦为最大灌浆压力；其他符号意义同 上。 式( 2 - 3 ) ( 2 - 7 ) 和( 2 9 ) ( 2 - 1 5 ) 属于稳定流。 上述公式均假定裂隙光滑：裂隙宽度一定，且不随灌浆压力改变：浆液在裂 隙内的流动为层流。对于裂隙粗糙度的影响、天然裂隙的开度取值和浆液在裂 隙内为紊流运动时的浆液渗透公式还有待研究。 2 2 3 拟连续介质灌浆理论 拟连续介质灌浆理论是通过等效原理把裂隙中的浆液流动等效平均到整个 岩体中，然后运用连续介质理论进行分析。浆液在拟连续渗透各向同性的岩体 介质中的渗透系数为咖 k ：y e 3 a 2 a( 2 1 6 ) 1 2 j u b 。岛 式中：y 为浆液重度；e 为裂隙宽度；a 为岩体平均裂隙密度，a - t ， n 为灌浆孔相交的裂隙数，为灌浆孔长度；浆液粘度；a 和b 为由浆液性 质决定的常数。 2 2 4 裂隙岩体灌浆数值模拟 裂隙岩体灌浆的数值模拟过程一般是先根据现场测得的裂隙特征参数进行 随机变量分组及分布函数回归，然后用m o n t e c a r l o 法进行裂隙网络分布模拟， 建立岩体裂隙网络：再根据裂隙网络特征，把裂隙交叉点作为节点，节点与节点 问的裂隙作为线单元 或面单元，节点处或微元体内的流量变化为零( 稳定流) 或等于贮存量的变 化( 非稳定流) ，建立浆液在裂隙岩体中的渗透运动的线或网络模型。 h a s s l e r 啪1 等( 1 9 9 2 ) 首先对裂隙岩体灌浆进行了数值模拟研究，假设裂隙为 光滑等宽，浆液为牛顿浆液。 杨米加等( 2 0 0 1 ) 建立了宾汉姆浆液的裂隙岩体灌浆渗透线网络模型，见 式 武汉理工大学硕士学位论文 偿小q i _ 警2 棚 忉 热岛= 甍+ 赢一盟4 1 码o s j j 棚黼枞龇为耽j ， 为点表征单元第j 条裂隙的压力梯度；d im 7 荟b , j ，；s 为裂隙以为中心的 表征体积单元弹性贮存系数，b ，f ，为节点间裂隙段宽度和长度，m 为连接节 点i 的线单元数，j 为连接点i 的某一线单元；甄为节点i 上的灌浆水头压力； n 为节点总数；q 流进或流出节点i 的流量。 郝吉占等侧( 1 9 9 9 ) 忽略裂隙交叉点处能量损失，认为接近交叉点足够近的各 条裂隙内的水头相等且等于裂隙交叉点处的压力水头，即 日。- 以一羁 ( 2 - 1 8 ) 式中：日。为流入节点i 的第j 条裂隙末端压力；日。为流出节点i 的第k 条 裂隙末端压力；h 为节点i 处压力。 同时假设裂隙交叉点处的浆液流量变化为零，即【3 0 】 荟鲰善级 ( 2 - 1 9 ) 其中：i n 为流入节点i 的裂隙数；n 为流出节点i 的裂隙数；q 。为流入节 点i 的第j 条裂隙内流量；玩为流出节点i 的第k 条裂隙内流量。 只_ 掣+ 只( 2 2 0 ) b 其中：写和最分别表示裂隙段始末点的浆压；b 为裂隙宽度； ，为浆液流 速；1 为裂隙长度；卢为浆液粘度系数。 郝哲模型的缺点是浆液为牛顿型，且没有考虑灌浆压力导致裂隙变形，进 而影响灌浆的特点。杨米加模型的缺点是没有考虑裂隙倾斜对浆液渗透的影响， 另外他采用的模型没有解决浆液在非等宽裂隙网络中的渗透情况。 研究宾汉型的水泥浆液在非等宽随机裂隙岩体网络中的渗透规律，考虑灌 浆压力与裂隙变形的祸合作用，使数值模型更能贴切反映实际灌浆情况是今后 岩体灌浆数值模拟的主要研究方向之一。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 5 隆巴迪( g l o m b a d i ) 公式 隆巴迪( g k 衄b a d i ) 公式适合于稳定浆液( 宾汉姆体) 的最大扩散半径、浆液 的可灌入量、最大总上抬力的求解，对于在灌浆施工中对各参数的控制具有较 大的参考价值： k 型 ( 2 2 1 ) 圪。三堡2 也3(222)2 一 f s , 一等 ( 2 - 2 3 ) r 。最大扩散半径，c e l l ； p ，哪灌灌浆液的最大体积，m 2 ； f 眦最大总上抬力，m p a ： f o - 最终灌浆压力，m p a ； h _ _ 裂缝宽度之一半，衄； c _ 弓璇液的粘聚力，m p a ； 从上述公式中，我们可以看出，裂缝宽度一定时，灌浆压力升高，浆液的 扩散半径、可灌入量、最大总上抬力都会显著增大。浆液变稠，粘聚力增大， 浆液的扩散半径、可灌入量，最大总上抬力都会显著下降。这就是我们在灌浆 过程中需要根据实际情况，不断改变灌浆压力和水灰比的原因。 2 3 小结 本章介绍了灌浆液体的类型牛顿体和宾汉姆体的力学特性及二者之间的异 同及联系；灌浆理论，渗透灌浆理论机制和内容、压密灌浆理论机制和内容、 劈裂灌浆理论机制和内容；以及隆巴迪公式的应用范围。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章灌浆参数理论研究 长期以来，水泥灌浆( 包括固结灌浆和帷幕灌浆) 一直是水利水电工程基础 处理的主要方法之一，灌浆效果取决于很多因素，但就灌浆操作本身，基本上 以灌浆压力、灌浆流量( 注入率或单位吸浆量) 和浆液密度( 称水灰比) 来控制灌 浆过程的，简称灌浆三要素。 灌浆压力主要用来克服浆液本身的粘聚力和克服浆液沿管道、钻孔和裂( 孔) 隙面的流动阻力。一般来说压力越大，浆液渗透距离越远。因此很多学者建议 压力高些，这样还可有以下作用：( 1 ) 使岩缝扩张，使得灌浆材料能进入细小岩 缝并扩散到较远距离。而且从经济角度讲，由于高压可使浆液渗透更远，这样 可以节省灌浆孔的数目；( 2 ) 高压有助于浆液排水固结，使得结石密实；( 3 ) 通 过高压的劈裂灌浆，可改善粘土和软岩的可灌性，促进浆液的渗透；( 4 ) 对于充 填裂隙，灌浆压力的逐渐加大有助于压密裂隙中的充填材料，降低渗透性，提 高岩体整体强度。但是，若压力过高可能使岩体产生塑性变形导致岩体不必要 的破坏。虽然这种破坏可通过灌灌浆液来充填，但毕竟没有原来强度高，可以 说得不偿失。另外对于宽张裂隙来说，一般低压就可以使浆液渗透够远，若采 用高压，会造成浆液的浪费。高压还可以抬升地面，造成其上建筑物变形开裂 等不利情况。 因此有必要研究灌浆压力的主要影响因素，以及灌浆压力作用下的劈裂、 扩缝和挤密等机理与规律。通过这些研究来确定一个合适的灌浆压力，这样既 保证了灌浆效果，又尽可能避免由灌浆引起的不利现象。 3 1 灌浆总压力计算 灌浆总压应力弓主要由压力计所示压应力p 、浆液自重弓和浆液沿管路压 应力损失最等合成。根据灌浆工艺、环境和设备的不同，可分以下几种情况： ( 1 ) 非循环式灌浆 弓一尸+ 最 ( 3 一1 ) ( 2 ) 循环式灌浆且压力表在进浆管上 弓一p + b 一最 ( 3 2 ) ( 3 ) 循环式且压力表在回浆管上 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 弓- p + 最+ 最 ( 3 - 3 ) 其中：只为作用到灌浆段中点的灌浆总压应力，m p a ； p 为灌浆孔口压力计上压应力读数，m p a l b 为浆液自重产生的