水庫壩基裂隙巖體注漿加固機理及其應(yīng)用研究

于春紅

(本溪滿族自治縣水利勘測設(shè)計隊，遼寧 本溪　117100)

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水庫壩基裂隙巖體注漿加固機理及其應(yīng)用研究

于春紅

(本溪滿族自治縣水利勘測設(shè)計隊，遼寧 本溪117100)

【摘要】由于在水庫壩基裂隙巖體處治施工過程中缺乏對裂隙注漿加固機理的深入研究，亟須解決裂隙巖體注漿壓力缺少定量分析而選取盲目的問題。需要確立擴(kuò)散半徑和注漿壓力的關(guān)系式，為裂隙注漿加固工程設(shè)計、施工提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)措施。本文通過對水庫壩基中裂隙巖體注漿加固機理、模型試驗以及工程實踐進(jìn)行研究分析，揭示了裂隙帶和注漿孔存在相交與不相交兩種位置關(guān)系，并得出了注漿時裂隙發(fā)生劈裂的過程。通過建立物理模型、分析數(shù)據(jù)，建立了不同水灰比條件下注漿壓力與擴(kuò)散半徑的關(guān)系，分析了裂隙巖體注漿施工中合理的注漿壓力區(qū)間。根據(jù)工程中水庫壩基基巖物理量參數(shù)，計算出了擴(kuò)散半徑，以指導(dǎo)注漿加固工程施工。

【關(guān)鍵詞】裂隙巖體；注漿加固機理；擴(kuò)散半徑

1　概　述

巖體中裂隙的存在對巖土工程類施工項目構(gòu)成巨大威脅，特別是在水庫大壩工程、隧道工程、巷道工程中，由于裂隙存在造成的潰壩、隧道涌水和巷道垮塌等安全事故屢見不鮮。對裂隙的形成和發(fā)展規(guī)律不清楚，對其缺乏最基本的預(yù)測，是造成災(zāi)害事故發(fā)生的主要原因之一，因此開展對裂隙的研究顯得更加急迫。

國內(nèi)外很多專家學(xué)者對裂隙的發(fā)展作了較多的研究，Alexey Malinin[1]主要開展了處治裂隙常用的漿液研究分析，從漿液的基本性質(zhì)入手，將裂隙注漿漿液視為牛頓漿液，并通過模擬研究分析了漿液在裂隙中的流動；楊志全[2-3]等將注漿漿液視為賓漢姆流體進(jìn)行分析，在分析漿液流體性質(zhì)的基礎(chǔ)上，建立了單一裂隙注漿模型，分析了漿液流動；許萬忠[4]通過模擬研究漿液在主裂隙中的流動情況，從力學(xué)的角度研究分析了巖體的抗剪強度和抗剪剛度；羅平平[5]通過構(gòu)建漿液在巖體裂隙中的流動模型，模擬研究了裂隙漿液的流動規(guī)律；劉健[6]基于普通漿液的性質(zhì)特點，通過室內(nèi)試驗的方法，研究分析了漿液在動水條件下的流動規(guī)律；鄭玉輝[7]研究分析了影響漿液在裂隙中流動的各個參數(shù)，并通過改變裂隙流動參數(shù)對漿液流動的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗分析；許廣坡[8]進(jìn)行了巖溶地區(qū)裂隙注漿的模擬試驗研究。

以上國內(nèi)外學(xué)者對巖體裂隙做了很多研究，特別是在裂隙特征、處置技術(shù)和漿液流動規(guī)律方面作了詳細(xì)的分析，也取得了一定的成果；但是同時也可以看到，大多數(shù)的研究主要集中在以上三個方面的分析，而對于裂隙的發(fā)育情況和發(fā)育規(guī)律研究偏少，對于壩基巖體裂隙的發(fā)育規(guī)律、注漿處治技術(shù)方面的研究更是鮮見。

本文基于關(guān)門山水庫壩基工程，通過采用資料分析和TSP探測分析，研究了壩基巖體裂隙的發(fā)育規(guī)律，根據(jù)裂隙的發(fā)育情況，采用了注漿處治技術(shù)。下面從施工方案、施工過程、注漿處治等方面加以介紹。

2　裂隙巖體注漿機理

2.1裂隙巖體注漿孔孔壁劈裂分析

采用注漿來解決裂隙災(zāi)害威脅是目前公認(rèn)的最有效的方法之一。對注漿機理進(jìn)行分析是解決裂隙問題的關(guān)鍵。在注漿中，通過探測技術(shù)首先了解裂隙的發(fā)育情況，根據(jù)裂隙在巖土的發(fā)育規(guī)律，來確定注漿時漿液孔的方位；通常情況下，在設(shè)計鉆孔的位置如果存在大裂隙，見圖1(a),注漿后漿液由于其流動性就很容易通過大裂隙以及與大裂隙相連接的小裂隙擴(kuò)散到四周，起到注漿加固的目的；當(dāng)設(shè)計鉆孔位置沒有與大裂隙相交時，見圖1(b)，這種情況下注漿比較復(fù)雜，只有通過增加注漿的壓力使裂隙產(chǎn)生劈裂，劈裂后的裂隙逐漸連接到主裂隙，相當(dāng)于采用注漿壓力將裂隙進(jìn)行貫通的一個過程，最后形成一個裂隙注漿網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到注漿加固的目的。具體的裂隙貫通的過程和特征見表1及圖2。

圖1　裂隙帶與注漿孔的空間位置關(guān)系

階 段分 類特 征最初階段漿液填充 鉆孔后,由于鉆孔沒有與主裂隙相交,而僅僅與次裂隙相交,此時漿液只是通過次力學(xué)擴(kuò)散到裂隙次階段初次劈裂 當(dāng)次裂隙被漿液充滿時,通過增加注漿壓力,使次裂隙發(fā)生裂隙劈裂,順著劈裂發(fā)現(xiàn)漿液流動第三階段二次劈裂 裂隙劈裂由于壓力太小原因,并沒有充滿到整個裂隙網(wǎng)絡(luò),因此要進(jìn)一步增加注漿壓力,使之產(chǎn)生二次劈裂最終階段劈裂貫通 在二次劈裂結(jié)束后,整個裂隙網(wǎng)絡(luò)基本貫通,此時所需注漿壓力降低,漿液開始在貫通的裂隙中流動,填充滿整個裂隙網(wǎng)絡(luò)

圖2　不同劈裂階段示意圖

通過以上圖表對基巖注漿機理進(jìn)行分析。在注漿過程中，由于技術(shù)或設(shè)計的原因，并不能保證鉆孔和主裂隙相交，甚至大部分的鉆孔都不能相交于主裂隙，因此，需要增加注漿壓力來改變裂隙狀態(tài)，目的就是通過壓力形成次裂隙的劈裂，最后和主裂隙相交。這個過程的關(guān)鍵是控制壓力，注漿壓力小于孔壁的應(yīng)力，孔壁不會發(fā)生劈裂；在注漿壓力滿足條件的情況下，孔壁發(fā)生劈裂的深度隨劈裂應(yīng)力的增大而增大。

2.2注漿壓力在裂隙注漿中的作用

通過以上了解，注漿過程中注漿壓力對注漿效果有著重要作用，注漿壓力對漿液的擴(kuò)散半徑也起著至關(guān)重要的作用，直接影響了注漿的效果，因此需研究分析注漿壓力對擴(kuò)散半徑的影響。通過構(gòu)建模擬單一裂隙注漿模型，對模型進(jìn)行單孔注漿；通過調(diào)控注漿壓力，分析不同水灰比條件下合理的注漿壓力[9]。

建立的模型要按照相似比原理，將實際工程巖體按照一定的比例進(jìn)行縮放，即可得到相似的模型，除了對原型進(jìn)行縮放外，對于巖體的物理性質(zhì)也按照相同的參數(shù)進(jìn)行處理[10]。關(guān)門山水庫壩基現(xiàn)場探測的結(jié)果顯示，裂隙分為水平裂隙和垂直裂隙，分別為3～5cm、1～2cm；按照建立的模型縮放比例1∶50來進(jìn)行計算，得到的水平裂隙和垂直裂隙分別為0.6～1mm、0.2～0.4mm；由于模型試驗難以模擬1mm以下的裂隙，因此只能放大比例，水平裂隙和垂直裂隙分別定為1～2mm、1mm；具體建立的縮放模型大小為0.25m×0.25m×0.1m，然后進(jìn)行注漿試驗分析，最后根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行分析，見圖3、圖4。

圖3　吸水率5%的理想模型擴(kuò)散半徑與壓力曲線

圖4　吸水率0的理想模型擴(kuò)散半徑與壓力曲線

圖3、圖4反映了不同吸水率和不同水灰比條件下，注漿壓力和漿液擴(kuò)散半徑的變化情況。從圖3可以看出，隨著水灰比的增大，相同的注漿壓力下，擴(kuò)散半徑是增加的，而在相同的擴(kuò)散半徑下，需要的注漿壓力是減小的；同理，在水灰比保持不變的情況下，隨著注漿壓力的增加，擴(kuò)散半徑也是增加的；圖4情況也是如此，對比兩圖，吸水率也是影響擴(kuò)散半徑的一個因素，吸水率小，擴(kuò)散半徑稍大一些；從圖上我們可以選擇最優(yōu)的注漿參數(shù)，通過相似原理進(jìn)行放縮，最后確定的注漿壓力為3～4MPa。

3　工程應(yīng)用

3.1工程概況

關(guān)門山水庫樞紐，水庫壩址地處巖溶地質(zhì)區(qū)，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，裂隙發(fā)育極為廣泛。壩基巖體主要為凝灰?guī)r、角礫巖以及火山流紋巖等，主要位于壩基位置，基巖風(fēng)化程度不高。

對基巖采用地質(zhì)雷達(dá)和TSP進(jìn)行超前預(yù)報，地震波信號處理后壩基周圍出現(xiàn)較多負(fù)反射波，說明基巖的巖性發(fā)生變化較大；靠近河谷地帶的壩基，反射明顯增多，說明該地區(qū)裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較差。

3.2施工設(shè)計

由勘查現(xiàn)場得出的基巖物理參數(shù)見表2。

表2　關(guān)門山水庫壩基裂隙注漿參數(shù)

將表2數(shù)據(jù)代入經(jīng)驗公式[10]計算得出，擴(kuò)散半徑的范圍為2.5～3.4m，符合工程實際要求。選擇的漿液配比參數(shù)和注漿設(shè)計參數(shù)見表3和表4。

表3　徑向注漿材料配比參數(shù)

3.3施工技術(shù)

施工步驟見圖5，在施工中需要注意以下問題：

a.在進(jìn)行孔位測量放樣中一定要力求準(zhǔn)確，防

表4　注漿設(shè)計參數(shù)

止由于孔位設(shè)計錯誤導(dǎo)致無法達(dá)到預(yù)定位置，造成孔位浪費；鉆孔時，鉆機低速鉆進(jìn)，鉆孔中一定要防止發(fā)生卡鉆現(xiàn)象；另外鉆孔過程中還要保證角度的準(zhǔn)確性，防止出現(xiàn)角度偏差。

b.注漿過程中，要確保水泥和外加劑的充分混合，這樣才能保證封堵裂隙加固作用實現(xiàn)；另外注漿中按照一定的注漿壓力進(jìn)行，既要防止因為壓力過小不能達(dá)到注漿效果，也要防止壓力過大損壞注漿機；在基巖巖性特別差的地段，特別注意加密注漿。

圖5　錨桿注漿施工工藝流程

4　效果分析

通過以上施工后，對采用的施工技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測。通過采用鉆孔攝像和地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)果：

a.注漿后，基巖各項參數(shù)得到較為明顯的提高，密實度提高了5%；改善了泊松比，該數(shù)據(jù)下降了7%，透水系數(shù)降低，僅為原來的1%左右，裂隙系數(shù)降低，滲水量明顯減少，堵水效果明顯；從反射波形分析，注漿后，基巖裂隙得到極大改善，注漿是成功的[11]。

b.注漿壓力達(dá)到3～4MPa后停止注漿，漿液在基巖裂隙中的擴(kuò)散情況符合預(yù)期，并且按照原設(shè)計的擴(kuò)散半徑進(jìn)行擴(kuò)散，誤差不超過3%。

c.對基巖進(jìn)行的鉆孔攝像監(jiān)測分析顯示，在注漿之前，同一段地帶，不小于3mm的裂隙超過20條，在0.2～3mm區(qū)間的裂隙有30條；注漿后，裂隙條數(shù)明顯減小，不小于3mm的裂隙減少為0條，0.2～3mm區(qū)間的裂隙僅剩4條。因此可以確定注漿效果明顯。

5　結(jié)　語

本文分析了注漿情況下鉆孔與主裂隙的基本關(guān)系，特別是分析了在與主裂隙不相交時，注漿后裂隙的劈裂過程；利用相似原理建立了裂隙注漿單一孔注漿模型，研究了不同水灰比和不同吸水率條件下注漿壓力和擴(kuò)散半徑的差異；對關(guān)門山水庫工程，制定了合理的注漿方案，通過注漿施工，裂隙情況得到明顯改善，產(chǎn)生了良好效果，對以后水庫大壩基巖裂隙注漿施工提供了參考。

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DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.07.019

中圖分類號：TV698

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8241(2016)07- 0066- 05

Research on reservoir dam foundation fracture rock mass grouting reinforcement mechanism and its application

YU Chunhong

(BenxiManchuAutonomousCountyWaterConservancySurveyandDesignTeam,Benxi117100,China)

Abstract:Since reservoir dam foundation fracture rock mass treatment construction process is lack of in-depth study on fracture grouting reinforcement mechanism. The problem of blind grouting pressure selection caused by quantitative analysis absence should be solved. The relationship expression between diffusion radius and grouting pressure should be established. Theoretical foundation and technical measures are provided for the design and construction of fracture grouting reinforcement projects. In the paper, fracture rock mass grouting reinforcement mechanism, model test and engineering practice in the reservoir dam foundation are studied and analyzed, which reveal fractured zone and grouting holed exsit two position relationships of intersect and non-intersect. The fracture crack process in the grouting process is obtained. The relationship between grouting pressure and diffusion radius is established under different water cement ratio conditions. Rational grouting pressure interval in fracture rock mass grouting construction is analyzed. Diffusion radius is calculated for guiding grouting reinforcement project construction according to reservoir dam foundation bed rock physical index in the project.

Key words:fracture rock mass; grouting reinforcement mechanism; diffusion radius