巖溶堤壩控制注漿漿液擴散機制與工程應用

汪文萍 蔣買勇 曹磊

摘要：“稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”控制注漿技術是巖溶堤壩防滲加固的有效手段之一，但該技術所采用的稀漿和膏漿在不同時段的擴散機制尚不明確。基于稀漿流變方程和窄縫擴散模型、膏漿圓形孔擴張理論，推導了脈動壓力下稀槳劈裂巖溶填充物的槳液擴散方程和膏槳壓密膠結物的漿液擴散方程。在此基礎上，將擴散方程運用到某水庫巖溶注漿工程。實踐表明，推導的巖溶堤壩控制注漿漿液擴散方程能有效指導工程實踐，注漿后的堤壩整體防滲效果得到顯著提高，滲透系數均降至5.1×10^-6cm/s，結石體強度可達2MPa。

關鍵詞：巖溶;堤壩;控制注漿;擴散機制;工程應用

中圖分類號：TV543⁺.1 文獻標志碼：A

巖溶是一種因地下水對可溶性巖石（如碳酸鹽類、硫酸鹽類、鹵素類等）進行長時間的溶蝕、沉積、沖蝕等物理化學綜合作用而產生的復雜地貌現象[1-3]。我國巖溶分布極為廣泛，巖溶區面積約占我國國土面積的1/5。由于巖溶的形狀、分布等具有諸多不確定性，填充物種類較多，且巖溶裂隙常與周邊地下水相互貫通，水力環境極為復雜，因此廣泛分布的巖溶對水利基礎設施的建設和運行管理等造成了極大的危害[4]。我國20世紀五六十年代在巖溶區建造了大量的堤壩工程，受當時施工水平的限制，大部分巖溶堤壩存在諸多先天不足，而隨著運行年限的增長，滲漏問題十分突出，甚者存在潰壩等風險[5-6]。目前，工程上常采用注漿手段對巖溶堤壩進行防滲加固處理，而注漿工藝也較多，如袖閥管注漿法[7-9]、循環式注漿法[10-11]、孔口封閉注漿法[12-13]、模袋注漿法[14-15]等。實際注漿施工過程中常出現注漿量大、淺層易冒漿以及施工周期長等諸多問題，導致整體注漿效果差，很難達到設計要求。針對堤壩巖溶注漿的諸多難題，筆者提出了一種適合巖溶堤壩高效控制注漿的新工法“稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”注漿[16]，即先采用脈動壓力灌注稀漿劈裂巖溶充填物以及周圍巖土體，再采用脈動壓力灌注膏狀漿液壓密充填物，實現復合式注漿，達到更好的防滲加固效果，并將該技術成功應用于多項巖溶堤防等防滲加固工程。但以往研究僅就該新技術的施工流程、特點及應用等方面進行了探討，尚未對漿液在脈動壓力下不同時段內的擴散機理進行深入分析，而漿液擴散機理的研究對于該技術的優化和推廣應用具有重要的現實意義。

鑒于此，筆者在總結新技術現場注漿經驗的基礎上，重點探討該技術的漿液擴散機制，并通過現場試驗驗證該法的可行性，以期為該工法的大規模現場施工提供指導。

1 巖溶堤壩高效控制注漿工藝及材料

1.1 工藝流程

1.1.1 成孔與安裝注漿機具

按設計要求進行孔位布置，布置后進行鉆孔放樣、定位和標記。采用200型地質鉆機進行鉆孔，開孔直徑為110mm，終孔孔徑不小于75mm，并采用泥漿護壁，跟管鉆進。待成孔完成后進行孔內沖洗直至出清水，下入注漿管，安裝好注漿機具。

1.1.2 稀漿脈動劈裂

按設計要求配制好稀漿（黏土水泥漿液），調設好脈動注漿泵的脈動注漿參數，打開脈動泵進行劈裂注漿，漿液在脈動壓力作用下重復劈裂巖溶內充填物，并形成樹枝狀膠結物。注漿過程中，脈動頻率一般控制在20～30次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度宜控制在0.5m左右。

1.1.3 膏漿脈動擠密

按設計要求配制好膏漿（黏土水泥固化漿液），調設好脈動注漿泵的脈動注漿參數，打開脈動泵進行擠密注漿，漿液在脈動壓力作用下重復擠密巖溶內樹枝狀膠結物，發生多次濾水過程，不斷提高結石體強度。注漿過程中，脈動頻率一般控制在8～15次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度宜控制在1m左右。

1.1.4 封孔結束注漿

自下而上全孔段注漿完成后，立即對注漿孔進行封孔。

1.2 可控漿液研制及性能

通過室內大樣本試驗，研制的可控稀漿由黏土原漿和普通硅酸鹽水泥組成，黏土原漿相對密度為1.35，水固比為1：1～2：1;可控膏狀漿液由黏土原漿、普通硅酸鹽水泥以及固化劑組成，黏土原漿相對密度為1.25，水固比為1：1，固化劑摻量為2%。配制的可控漿液物理力學性能見表1，漿液樣品見圖1。

2 高效控制注漿漿液擴散機制

2.1 稀漿脈動劈裂時段漿液擴散機制

2.1.1 基本假定

依據高效可控注漿技術特點與可控稀漿性能，提出如下基本假定：①巖溶充填物和注入的可控稀漿均為均質體，符合各向同性要求，且本文僅探討一條漿脈劈裂;②可控稀漿在注漿擴散過程中保持賓漢流體流變規律不變，且忽略稀漿的流變時變性;③可控稀漿在充填物內為柱狀擴散，擴散過程符合層流流動要求。

2.1.2 擴散機制及擴散過程

依據上述假設，選取半徑為σ/2的單位長度裂隙模型進行分析，令稀漿兩端注漿壓力分別為P+dP和P，υ_P為稀漿流速，τ為可控稀漿的剪切應力，則可控稀漿脈動劈裂擴散機制見圖2。

由可控稀漿脈動劈裂的擴散機制可知，可控稀漿在充填物內擴散時，其流變方程為式中：τ₀為可控稀漿的初始剪切應力;η為可控稀漿的黏度;dr為裂隙段長;dv/dr為剪切速率。上述各變量可通過流變儀測試獲得。

由文獻[17-18 ]和假定條件可知，可控稀漿在充填物中擴散的平均流速v滿足式中：P為脈動壓力;P為設計壓力;t為注漿時間;t₁為脈動注漿段;t₂為脈動絮凝段;d為劈裂縫的寬度;y為可控稀漿未受到剪切作用時的裂縫寬度，本文考慮稀漿流變模型取y=d/3。

經一定注漿時間t后，可控稀漿注漿量為

Q=vAt=lA（4）式中：A為可控稀漿劈裂充填物的劈裂縫面積;l為可控稀漿在充填物劈裂縫內的擴散距離。

值得注意的是，脈動絮凝段雖然注漿壓力為零，但此時注漿量仍固定，故注漿總量為整個注漿時間段內的漿液量。

聯立式（1）～式（4），并結合一定的邊界條件，即當脈動注漿壓力P達到充填物的起劈壓力尸，時，可控稀漿開始在充填物內發生脈動劈裂，此時漿液擴散距離為r₁，則起劈壓力P₁滿足式中：δ₃為充填物圍巖壓力;φ為充填物內摩擦角;c為稀漿的黏聚力。

若經過注漿時間Δt后擴散半徑為r₁'+r'，脈動壓力為P₂，將式（2）代入式（4）并分離變量后有

實際計算時，注漿壓力應按式（3）分時段計算，得到漿液擴散距離r₁'、r₂'、…、r_n'，其中n滿足

將計算得到漿液擴散距離r₁'、r₂'、…、r_n'后進行累加即為脈動壓力下稀漿在充填物內的擴散距離。

2.2 膏漿脈動壓密時段漿液擴散機制

2.2.1 基本假定

依據高效可控注漿技術特點與可控膏漿性能，提出如下基本假定：①充填膠結物符合Mohr-Coulomb屈服準則;②可控膏漿在注漿擴散過程中保持賓漢流體流變模型不變，且忽略膏漿的流變時變性;③脈動壓密注漿過程符合圓形孔擴張理論。

2.2.2 擴散機制及擴散過程

依據上述假設，另設圓形孔初始半徑為R₀，擴張后半徑為R，注漿壓力為P，孔內壓力為P_R，徑向正應力為σ，軸向正應力為σ_θ。分析可控膏漿脈動擠密擴散機制，見圖3。

由可控膏漿脈動壓密的擴散機制可知，漿液擴散符合圓形孔擴張理論，考慮力學平衡則有

彈性區滿足廣義虎克定律：式中：ε_r為徑向正應變;ε_θ為軸向正應變;E為材料彈性模量;v為材料泊松比。

根據假設條件①可知，充填膠結物屈服條件為

根據其他假設條件，將式（11）代入式（9）得

考慮式（11），若σ_r=P時r=R₀，則有

結合一定的邊界條件，且圓形孔擴張后體積變化等于彈性區與塑性區體積變化之和，則可確定注漿孔內最終壓力P_R和最終擴散半徑R：其中：式中：△為膠結物初始應力;Q為注漿量;C為待定常數。

根據現場統計注漿量Q、讀取壓力表讀數P_R和注漿時間T，即可計算出分時段計算漿液擴散距離R₁、R₂、…、R_n，其中n滿足

計算得到漿液擴散距離R₁、R₂、…、R_n后進行累加，即為脈動壓力下膏漿在巖溶內的擠密擴散距離。

2.3 公式適用范圍

根據前文假設條件可知，巖溶堤壩高效可控注漿漿液擴散公式均是在漿液符合層流流動的基礎上推導出來的。根據文獻[19]可知，可控漿液為賓漢流體，其雷諾數Re<2000時為層流。

3 工程應用

某水庫副壩地基巖體礫巖中的礫石成分以灰巖為主，膠結物以鈣質為主，較易溶蝕，溶隙、溶孔、溶洞較為發育，溶洞內的充填物長期受水頭壓力的滲流作用，造成壩基塌陷和滲漏。為此，對1#副壩基礎分部位采用單排和雙排帷幕灌漿施工處理，帷幕鉆孔位于壩軸線上游2.6m，帷幕伸人基巖以下不小于3m。前期采用常規注漿工藝發現注漿效果差，很難達到設計要求，故采用本文提供的新技術進行注漿處理。

3.1 試驗方案

現場壓水試驗表明，注漿壓力設計為1.5～2.0MPa，采用本文提出的理論模型計算得到如下設計方案：布孔設計為梅花形3排孔，孔距1.0m、孔排距1.0m，稀漿脈動劈裂時脈動頻率控制在25次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度控制在0.5m;膏漿脈動擠密脈動頻率控制在12次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度控制在1m。現場施工的可控稀漿為黏土水泥穩定漿液，其中黏土原漿相對密度為1.30，水固比2：1;可控膏狀漿液為黏土水泥固化漿液，其中黏土原漿相對密度為1.20，水固比0.8：1.0，固化劑摻量占水泥摻量的2%。

3.2 結果分析

注漿過程中未發現冒漿串漿現象，且涌水減少效果明顯，后期基本無滲漏。施工結束后，采用鉆孔取芯和注水試驗進行效果檢測。檢測結果表明，土石壩整體防滲效果得到顯著提高，檢查孔滲透系數均降至5.1×10^-6cm/s，所取芯樣基本完整，結石體強度可達2MPa，達到設計效果。

4 結語

考慮現有巖溶堤壩注漿工藝的不足，提出了一種可控注漿新方法，并針對該方法的特點，基于稀漿流變方程和窄縫擴散模型、膏漿圓形孔擴張理論，研究了不同漿液在不同時段內的擴散機制，推導了脈動壓力下稀漿劈裂巖溶填充物的漿液擴散方程和膏漿壓密膠結物的漿液擴散方程。該方法計算簡便，易于在巖溶堤壩注漿設計中應用，采用推導的注漿公式指導工程實踐，驗證了理論推導的可行性，注漿后土石壩整體防滲效果得到顯著提高，滲透系數均降至5.1×10^-6cm/s，結石體強度可達2MPa，達到設計效果。但脈動劈裂和壓密注漿過程十分復雜，文中在推導過程中均作了一定假設，諸多問題尚未考慮，如漿液壓濾效應、劈裂縫的擴縫效應等，有待進一步深入研究。

參考文獻：

[1]袁道光.巖溶環境學[M].重慶：重慶出版社，1988：1-25.

[2]張鳳娥，盧耀如，郭秀紅，等.復合巖溶形成機理研究[J].地學前緣，2003，10（2）：495-500.

[3]VICK S G，BROMWELL L G.Risk Analysis for Dam Designin Karst[J].Journal of Geotechnical Engineering，1989，115（6）：819-835.

[4]JOHNSON K S.Gypsum-Karst Problems in ConstructingDams in the USA[J].Environmental Geology，2008，53（5）：945-950.

[5]許傳桂.我國病險水庫的現狀[J].大壩與安全，2000，14（3）：52-53.

[6]杜雷功.全國病險水庫除險加固專項規劃綜述[J].水利水電工程設計，2003（3）：1-3.

[7]婁吉宏，于森，胡桂娟.袖閥管注漿法在廣州白云國際機場飛行區溶洞處理工程中的應用[J].廣西大學學報（自然科學版），2005（1）：17-21.

[8]黃焰，伍永勝.巖溶地區城市地下淺埋隧道工程技術研究[J].土木工程學報，2005（8）：107-113.

[9]魏晨亮，王玉卿，唐高洪.南寧地區富水圓礫層袖閥管注漿加固技術[J].隧道建設，2014（5）：499-502.

[10]孫金庫，冉懋鴿.不良地質洞段高壓固結注漿處理[J].巖石力學與工程學報，2004，23（18）：3196-3202.

[11]羅長軍.帷幕注漿技術在既有土壩可溶巖壩基中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004，23（22）：3910-3916.

[12]張貴金，許毓才，陳安重，等一種適合松軟地層高效控制注漿的新工法：自下而上、漿體封閉、高壓脈動注漿[J].水利水電技術，2012，43（3）：38-41.

[13]盛松濤，張貴金，陳安重.托口水電站河灣地塊帷幕灌漿新工藝的施工實踐[J].水利水電技術，2014，45（8）：108-111.

[14]劉慧霞，把多鐸.巖溶地區壩基滲水堵漏注漿[J].水資源與水工程學報，2009（4）：127-128，131.

[15]符平，王廷勇，鄭亞平，等.土工模袋注漿研究與應用[J].水利與建筑工程學報，2004（1）：11-13.

[16]蔣買勇，梁經緯，王飚，等.一種適合巖溶堤壩高效控制注漿的新工法：稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密注漿[J].中國農村水利水電，2016（11）：147-150.

[17]楊秀竹，王星華，雷金山.賓漢體漿液擴散半徑的研究及應用[J].水利學報，2004，35（6）：75-79.

[18]孫鋒，陳鐵林，張頂立，等.基于賓漢體漿液的海底隧道劈裂注漿機制研究[J].北京交通大學學報，2009，33（4）：1-6.

[19]曾祥熹.泥漿流變學與黏度測量[M].湖南：中南礦冶學院出版社，1981：63-82.