金錢弄水庫劈裂灌漿裂隙傾角與擴散半徑分析

賴昌亮

(桂林利源水電建設有限責任公司，廣西 桂林 541000)

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金錢弄水庫劈裂灌漿裂隙傾角與擴散半徑分析

賴昌亮

(桂林利源水電建設有限責任公司，廣西 桂林 541000)

根據多年工作實踐經驗與總結，文章推導出水庫巖體裂隙傾角對灌漿擴散半徑的影響，并推導出牛頓流體和賓漢流體擴散半徑的計算公式，運用所推導的公式分析了金錢弄水庫劈裂灌漿過程中傾角對灌漿效果的影響，并提出調整灌漿參數，提高灌漿效果的相關建議，以期對類似工程提供指導借鑒。

劈裂灌漿；裂隙傾角；擴散半徑；牛頓流體；賓漢流體

1 工程實例

金錢弄水庫于1958年9月開工，該工程的設計工作由原地區勘測設計隊承擔，最初設計庫容僅28萬m3，1962年計劃增開兩條引洪渠，庫容增至74.5萬m3(有效庫容)，到1965年擴大設計時，決定加高主副壩、增開引洪溝兩條，引洪面積15.35km2，連同原庫區面積2.2km2，水庫總面積為17.55km2，庫容擴大到460萬m3，有效庫容為359萬m3。金錢弄水庫是以灌溉為主，兼顧防洪、水產養殖等功能的小(Ⅰ)型水庫。水庫總庫容403.2萬m3，調洪庫容35.4萬m3，調節庫容323.7萬m3。工程設計灌溉面積1.23萬畝，有效灌溉面積427hm2，保護下有人口1.23萬人、耕地1533.3hm2。

在對金錢弄水庫基礎灌漿效果進行聲波檢測過程中，對檢測結果進行比較分析發現，在距離不超過1m的兩個相鄰檢查孔內，所檢測到的聲波波速差異很大，聲波波速的大小間接反映了巖體質量，而通過灌漿后巖體聲波波速的變換也可以反映灌漿效果的好壞，灌漿擴散范圍是否均勻可以直接通過分析同一巖體灌漿后聲波波速是否存在差異而進行判斷，在實際水庫工程劈裂灌漿過程中，可以通過適當調整孔距、排距及其他灌漿參數，并不斷進行灌漿后聲波波速差異的比對與分析，以達到最優的灌漿效果。

2 裂隙傾角與灌漿擴散半徑分析

由于存在裂縫傾角，在漿液自身重力的作用下，漿液并非按照規則的圓周進行擴散，而是按照一個光滑連接兩段長短軸而形成的橢圓弧封閉曲線進行擴散，如圖1所示，大橢圓區域內裂隙傾向與漿液擴散方向構成銳角，所以當擴散方向和裂隙傾向同向時，擴散半徑最大；小橢圓區域裂隙傾向與漿液擴散方向構成鈍角，而當擴散方向與離析傾向正好相反是，擴散半徑最小，漿液擴散的最大半徑和最小半徑是實際工程中最為關心的兩個量。

圖1 傾斜裂隙灌漿孔及擴散范圍示意圖

2.1 按牛頓流體考慮

借鑒牛頓流體在水庫裂縫流動的特性，可以概括出灌漿平板裂隙模型，模型中裂隙的流體單元符合：

(1)

式中：dr為漿液擴散方向；dz為垂直漿液擴散平面方向；p為漿液壓力；τ為漿液的剪切力。對于式(1)中的牛頓流體，必須滿足牛頓摩阻力定律，即：

(2)

將裂隙傾角α考慮進來，結合式(1)牛頓流體的流動特性及擴散半徑的推導過程，經過變換，可以求得擴散半徑r處的壓力：

(3)

式中：p與pc分別為擴散半徑r處和灌漿孔內的漿液壓力；η為漿液黏度，kPa·s；R為擴散半徑最大值；rc為鉆孔半徑，cm；b為裂隙寬度，cm；t為灌漿持續時間。

結合圖1中對傾斜裂隙灌漿孔及擴散范圍的描述，并考慮對灌漿模型進行改進后，可以將裂縫內漿液壓力等分為兩部分，一部分為p1(即灌漿孔內漿液壓力pc流動損失后的壓力)，另一部分為p2(即漿液在傾斜裂縫內由于自重而產生的壓力)，則距離灌漿孔中心軸r的漿液壓力為：

p=p1+p2

(4)

式中：p1可通過(3)求得，p2可根據漿液重度γJ(kPa/cm)求得，公式為：

p2=±γJ(r-rc)tanα

(5)

將(3)(4)(5)式綜合考慮，可得：

(6)

在式(5)(6)中，“+”表示裂隙內漿液擴散方向與裂隙傾向完全一致，而“-”表示兩者方向相反。隨著p的逐漸下降直至地下水壓力p0(kPa)時，此時t=T，r=R，可以通過下式計算灌漿最大擴散半徑R，cm：

(7)

2.2 按賓漢流體考慮

牛頓流體是純黏性流體，影響其流動的主要參數就是其黏度，與此不同的是，賓漢流體是黏塑性流體，除了黏度會影響其流動外，還有漿液的黏聚力(或抗剪斷強度)，故而賓漢流體的流動規律如下：

(8)

將(8)帶入式(1)并且變形可以得到：

(9)

將式(9)進行與按牛頓流體相同的推導與轉換，最終便可求得賓漢流體型漿液在平滑裂隙中的擴散半徑隱式計算公式，如下：

(10)

式中：c為賓漢流體型漿液的黏聚力，kPa；其他符號意義同前。

2.3 計算與分析

為了分析金錢弄水庫大壩劈裂灌漿裂隙傾角對擴散半徑所可能發生的影響，必須根據所推導的公式進行一系列計算。在計算時，根據工程劈裂灌漿實際中的各項灌漿參數，對于牛頓流體假設η=5.0×10-6kPa·s，γ=0.12kPa/cm，pc=5000kPa，由于不考慮地下水壓力，故p0=0，rc=7.6cm，b=0.02cm，T=2400s；對于賓漢流體假設η=1.3×10-4kPa·s，γ=0.19kPa/cm，c=3.0×10-3kPa，其余參數取值同牛頓流體。將上述數值代入公式(7)和(10)，計算出不同傾角下所對應的漿液擴散半徑，計算結果詳見表1。

表1 漿液擴散半徑R的計算結果 cm

表1的計算結果表明，牛頓流體和賓漢流體均存在隨著裂隙傾角的擴大，鉆孔兩側的擴散半徑差值先增大后減小的現象，并且在同一傾角和劈裂灌漿條件下，牛頓流體的擴散半徑差值遠大于賓漢流體，進一步分析發現，當傾角在50°左右時，兩側擴散半徑差值均達到最大值，此情況下灌漿擴散范圍的均勻性與灌漿效果最差，故而可將此時傾角作為最不利傾角。

3 結 論

綜上所述，從理論分析角度，對金錢弄水庫巖體劈裂灌漿裂隙傾角對牛頓流體和賓漢流體在裂隙中的擴散情況進行分析，并結合工程實際加以充分論證。結果表明，在其余參數不變情況下，牛頓流體和賓漢流體漿液的擴散半徑在鉆孔順傾向側和逆傾向側均隨裂隙傾角的增大而逐漸減小，而且在傾角為50°左右時，灌漿效果最為不利。

[1]朱俞仿.裂隙傾角對灌漿擴散半徑的影響分析[J].中國礦山工程，2014(04)：55-58.

[2]田美霞.考慮漿液黏度時變性的單裂隙動水注漿擴散模型[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2011(06)：536-538.

1007-7596(2017)03-0040-02

2017-02-20

賴昌亮(1967-)，男，廣西桂林人，工程師，研究方向為水利水電建筑工程。

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