巖溶涌水災害注漿擴散機制研究

戚 厚 羿

(山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

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巖溶涌水災害注漿擴散機制研究

戚 厚 羿

(山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

針對不同類型的巖溶涌水災害，分析了節理裂隙、集中涌水通道及大型巖溶結構等三種導水及儲水結構注漿治理過程中壓力、注漿量的變化特征，并在此基礎上研究了這三種結構注漿封堵漿液的擴散機制，對減少巖溶涌水災害的發生有一定的意義。

巖溶涌水，注漿特征，擴散機制，漿液

0 引言

巖溶涌水災害注漿治理過程中，由于圍巖條件及涌水量的差異，注漿過程具有明顯的特征差異。文章依托湖南省龍永高速公路大壩隧道巖溶涌水注漿處治工程，實時記錄了200余個鉆孔的注漿壓力、注漿量等數據，研究了節理裂隙、集中涌水通道及大型巖溶結構等三種導水及儲水結構注漿治理過程中的注漿壓力、注漿量的變化特征，對巖溶涌水災害注漿治理理論與技術的研究具有一定的指導意義，對于保證地下工程施工及運營安全，減少涌水災害造成的經濟、環境損失具有重要意義。

1 巖溶涌水治理注漿特征及分析

1.1 導水節理裂隙封堵注漿特征

以大壩隧道突涌水災害治理工程為依托，通過對大量鉆孔注漿過程進行記錄，經過嚴格篩選，獲得了數十個裂隙型涌水鉆孔注漿資料。為研究注漿過程中注漿速率、壓力的變化規律，分別對各個鉆孔的注漿全過程進行研究，繪制注漿特征曲線，分析注漿量、壓力隨時間的變化規律。圖1～圖4給出了部分鉆孔注漿特征曲線。

分析鉆孔注漿特征曲線，發現節理裂隙類涌水注漿具有以下特征：1)注漿吃漿量較小，一般注漿量在10 m3以內。部分鉆孔，由于裂隙開度過小，水泥單液漿滲入困難，注漿量極小。2)開始階段，注漿速率快，壓力上升較為緩慢；注漿后期，主要裂隙網絡被封堵，注漿壓力逐漸上升，而注漿速率急劇減小。3)壓力曲線上升轉折點和注漿速率曲線減小轉折點基本為同一時間點，即注漿30 min時，據此可以將注漿過程分為兩個階段：注漿壓力平穩階段和注漿壓力上升階段。

1.2 集中涌水通道封堵及大型巖溶儲水結構治理注漿特征

通過對大壩隧道突涌水災害治理工程中數十個揭露巖溶涌水管道或溶腔、溶洞結構的鉆孔注漿過程的記錄和研究分析，發現在集中涌水通道及大型巖溶儲水結構的注漿治理中，注漿過程具有明顯的特征相似。因此，將兩種類型巖溶涌水治理注漿特征共同研究。部分鉆孔注漿特征曲線見圖5，圖6。

分析鉆孔注漿記錄及注漿特征曲線發現注漿過程具有如下特征及相似之處：1)注漿量極大。揭露集中涌水通道或大型溶腔、溶洞結構的鉆孔，持續注漿時間長，注漿量極大，甚至會出現單個鉆孔持續注漿長達10 d以上，累計注漿量到達1 000 m3的現象。2)注漿壓力在較低水平持續徘徊，注漿接近結束時注漿壓力急劇增大。認為主要原因是：在該類涌水及儲水結構注漿過程中，漿液以充填涌水管道、大型巖溶結構為主。注漿前期，巖溶本身的結構為漿液提供了大量的可充填擴散空間，漿液擴散阻力很小，注漿壓力基本不提高；注漿后期，巖溶結構基本被漿液充填，漿液可擴散空間急劇減小到無，造成注漿壓力迅速增大。因此，與導水節理裂隙封堵注漿類似，該類型也可以將注漿過程分為：注漿壓力平穩階段和注漿壓力上升階段。

2 節理裂隙型涌水注漿封堵擴散機制

受地質活動和巖溶水長期侵蝕作用的影響，巖體裂隙多呈網狀發育。節理裂隙型涌水區域受節理裂隙發育影響，圍巖條件一般較差。在該類型區域內，巖體裂隙是漿液的主要擴散通道及留存區域。

1)注漿壓力平穩階段，漿液以充填裂隙導水通道為主，漿液擴散的阻力較小，擴散模式可依據假設簡化為滲透擴散。具體假設條件如下：裂隙特征相似，漿液在裂隙內的擴散運移阻力很小且相等；巖體具備各向同性特點，即在巖體內，漿液沿各方向同步滲透擴散；巖體孔隙率無變化，即注漿時，裂隙不會因注漿壓力而擴展；注漿過程中，不考慮因析水、凝結等因素造成漿液的體積變化，漿液體積守恒。

由于在本階段內注漿壓力基本無變化，建立漿液擴散公式時，忽略注漿壓力的影響。依據以上假設，裂隙巖體注漿壓力平穩階段，漿液擴散遵循式(1)：

(1)

其中，t為注漿時間；n為被注巖體孔隙率；r0為注漿管半徑；r為漿液擴散半徑；q為注漿速率。

2)注漿壓力上升階段過程中，由于前一階段導水裂隙已基本被漿液封堵，而在常規的注漿壓力作用下巖體不會被壓縮，裂隙擴展產生的漿液可充填空間十分有限，導致該階段注漿量較小。可以發現，注漿壓力上升階段累計注漿量變化小。因此，認為該階段漿液擴散的范圍基本不變化，注漿壓力的提高僅作用于漿液對細窄裂隙的充填率，以此保障注漿封堵效果。

3 集中管道型涌水注漿封堵擴散機制

如之前所述，涌水量大的巖溶管道大多與大的含水結構聯通，注漿量大、注漿時間長，且注漿過程中壓力長時間不變化。

1)注漿壓力平穩階段，注漿過程注漿壓力主要作用于漿液擴散管道阻力、地下水壓力及內摩擦力。取漿液擴散通道內一段漿體進行受力分析，如圖7所示。

假設漿液處于平衡狀態，其平衡方程如下：

P·A=σf·l·C+fc·L·A+Pw·A

(2)

其中，P為注漿壓力；A為漿液擴散通道斷面面積；l為漿液擴散距離；C為漿液擴散通道斷面周長；fc為漿液內摩擦力；Pw為地下水壓力。

注漿漿液粘度較低時，管道阻力及漿液內摩擦力很小，對漿液擴散的影響可以忽略。因此式(2)可簡化為：

P?Pw

(3)

該階段注漿壓力基本無變化，所以決定漿液擴散距離的主要因素為注漿量。受限于巖溶涌水管道內部發育及聯通情況無法探測，難以建立之間的關系方程。

注漿漿液粘度較高時，漿液內摩擦力將成為漿液擴散的主要阻力。因此導致速凝類漿液的擴散范圍有限，不利于涌水通道的遠端封堵。

2)注漿壓力上升階段。在注漿過程中，主要巖溶涌水管道被封堵后，即進入壓力上升階段。在該階段，由于漿液擴散空間非常有限，注漿量較小，注漿壓力急劇升高，所以漿液擴散范圍基本也不再變化。

4 大型巖溶結構突涌水注漿擴散機制

溶腔、溶洞等大型巖溶儲水結構引發的突涌水災害的注漿治理過程中，由于巖溶空間發育范圍大，導致注漿量極大。壓力平穩階段，漿液主要充填巖溶空間，基本無擴散阻力。壓力上升階段，由于大部分巖溶空間已被漿液填充，注漿量增長緩慢，注漿壓力主要作用于充填介質的壓密及周圍巖裂隙的填充，注漿壓力急劇提高。

5 結語

如前所述，受地下水流通路徑及圍巖條件影響，各類型巖溶涌水災害注漿過程具有明顯的特征差異。注漿過程中，漿液擴散與涌水通道封堵機制也大不相同。總體來說，因三種類型巖溶突涌水發生區域圍巖條件的差異，注漿過程及漿液擴散特征明顯不同。注漿治理中，需根據工程實際圍巖條件，涌水發生情況，進行針對性技術及工藝改進，以確保突涌水災害治理效果。

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[4] 李術才，張 霄，張慶松，等.地下工程涌突水注漿止水漿液擴散機理和封堵方法研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30(12)：2377-2396.

Study on grouting diffusion mechanism of karst water bursting hazards

Qi Houyi

(ShandongUniversityGeotechnical&StructuralEngineeringResearchCenter,Jinan250061,China)

In light of different karst water bursting hazards, the paper analyzes pressure and grouting amount altering features in the grouting treatment of three kinds of water guiding and water storage structure including joint cracks, centralized water bursting channel and large-span karst structure, and studies grouting sealing slurry diffusion mechanism, which has certain meaning for reducing karst water bursting disasters.

karst water bursting, grouting features, diffusion mechanism, slurry

1009-6825(2017)06-0071-03

2016-12-18

戚厚羿(1992- )，男，在讀碩士

P642.25

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