金錢弄水庫劈裂灌漿裂隙傾角與擴(kuò)散半徑分析

賴昌亮

(桂林利源水電建設(shè)有限責(zé)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(kuò)散半徑分析

賴昌亮

(桂林利源水電建設(shè)有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541000)

根據(jù)多年工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)，文章推導(dǎo)出水庫巖體裂隙傾角對(duì)灌漿擴(kuò)散半徑的影響，并推導(dǎo)出牛頓流體和賓漢流體擴(kuò)散半徑的計(jì)算公式，運(yùn)用所推導(dǎo)的公式分析了金錢弄水庫劈裂灌漿過程中傾角對(duì)灌漿效果的影響，并提出調(diào)整灌漿參數(shù)，提高灌漿效果的相關(guān)建議，以期對(duì)類似工程提供指導(dǎo)借鑒。

劈裂灌漿；裂隙傾角；擴(kuò)散半徑；牛頓流體；賓漢流體

1 工程實(shí)例

金錢弄水庫于1958年9月開工，該工程的設(shè)計(jì)工作由原地區(qū)勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)承擔(dān)，最初設(shè)計(jì)庫容僅28萬m3，1962年計(jì)劃增開兩條引洪渠，庫容增至74.5萬m3(有效庫容)，到1965年擴(kuò)大設(shè)計(jì)時(shí)，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(qū)面積2.2km2，水庫總面積為17.55km2，庫容擴(kuò)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(chǎn)養(yǎng)殖等功能的小(Ⅰ)型水庫。水庫總庫容403.2萬m3，調(diào)洪庫容35.4萬m3，調(diào)節(jié)庫容323.7萬m3。工程設(shè)計(jì)灌溉面積1.23萬畝，有效灌溉面積427hm2，保護(hù)下有人口1.23萬人、耕地1533.3hm2。

在對(duì)金錢弄水庫基礎(chǔ)灌漿效果進(jìn)行聲波檢測(cè)過程中，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)，在距離不超過1m的兩個(gè)相鄰檢查孔內(nèi)，所檢測(cè)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(zhì)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(kuò)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(jìn)行判斷，在實(shí)際水庫工程劈裂灌漿過程中，可以通過適當(dāng)調(diào)整孔距、排距及其他灌漿參數(shù)，并不斷進(jìn)行灌漿后聲波波速差異的比對(duì)與分析，以達(dá)到最優(yōu)的灌漿效果。

2 裂隙傾角與灌漿擴(kuò)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(guī)則的圓周進(jìn)行擴(kuò)散，而是按照一個(gè)光滑連接兩段長短軸而形成的橢圓弧封閉曲線進(jìn)行擴(kuò)散，如圖1所示，大橢圓區(qū)域內(nèi)裂隙傾向與漿液擴(kuò)散方向構(gòu)成銳角，所以當(dāng)擴(kuò)散方向和裂隙傾向同向時(shí)，擴(kuò)散半徑最大；小橢圓區(qū)域裂隙傾向與漿液擴(kuò)散方向構(gòu)成鈍角，而當(dāng)擴(kuò)散方向與離析傾向正好相反是，擴(kuò)散半徑最小，漿液擴(kuò)散的最大半徑和最小半徑是實(shí)際工程中最為關(guān)心的兩個(gè)量。

圖1 傾斜裂隙灌漿孔及擴(kuò)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(dòng)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(kuò)散方向；dz為垂直漿液擴(kuò)散平面方向；p為漿液壓力；τ為漿液的剪切力。對(duì)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(jìn)來，結(jié)合式(1)牛頓流體的流動(dòng)特性及擴(kuò)散半徑的推導(dǎo)過程，經(jīng)過變換，可以求得擴(kuò)散半徑r處的壓力：

(3)

式中：p與pc分別為擴(kuò)散半徑r處和灌漿孔內(nèi)的漿液壓力；η為漿液黏度，kPa·s；R為擴(kuò)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(xù)時(shí)間。

結(jié)合圖1中對(duì)傾斜裂隙灌漿孔及擴(kuò)散范圍的描述，并考慮對(duì)灌漿模型進(jìn)行改進(jìn)后，可以將裂縫內(nèi)漿液壓力等分為兩部分，一部分為p1(即灌漿孔內(nèi)漿液壓力pc流動(dòng)損失后的壓力)，另一部分為p2(即漿液在傾斜裂縫內(nèi)由于自重而產(chǎn)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(jù)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(nèi)漿液擴(kuò)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(shí)，此時(shí)t=T，r=R，可以通過下式計(jì)算灌漿最大擴(kuò)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(dòng)的主要參數(shù)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(huì)影響其流動(dòng)外，還有漿液的黏聚力(或抗剪斷強(qiáng)度)，故而賓漢流體的流動(dòng)規(guī)律如下：

(8)

將(8)帶入式(1)并且變形可以得到：

(9)

將式(9)進(jìn)行與按牛頓流體相同的推導(dǎo)與轉(zhuǎn)換，最終便可求得賓漢流體型漿液在平滑裂隙中的擴(kuò)散半徑隱式計(jì)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(hào)意義同前。

2.3 計(jì)算與分析

為了分析金錢弄水庫大壩劈裂灌漿裂隙傾角對(duì)擴(kuò)散半徑所可能發(fā)生的影響，必須根據(jù)所推導(dǎo)的公式進(jìn)行一系列計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，根據(jù)工程劈裂灌漿實(shí)際中的各項(xiàng)灌漿參數(shù)，對(duì)于牛頓流體假設(shè)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(duì)于賓漢流體假設(shè)η=1.3×10-4kPa·s，γ=0.19kPa/cm，c=3.0×10-3kPa，其余參數(shù)取值同牛頓流體。將上述數(shù)值代入公式(7)和(10)，計(jì)算出不同傾角下所對(duì)應(yīng)的漿液擴(kuò)散半徑，計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 漿液擴(kuò)散半徑R的計(jì)算結(jié)果 cm

表1的計(jì)算結(jié)果表明，牛頓流體和賓漢流體均存在隨著裂隙傾角的擴(kuò)大，鉆孔兩側(cè)的擴(kuò)散半徑差值先增大后減小的現(xiàn)象，并且在同一傾角和劈裂灌漿條件下，牛頓流體的擴(kuò)散半徑差值遠(yuǎn)大于賓漢流體，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角在50°左右時(shí)，兩側(cè)擴(kuò)散半徑差值均達(dá)到最大值，此情況下灌漿擴(kuò)散范圍的均勻性與灌漿效果最差，故而可將此時(shí)傾角作為最不利傾角。

3 結(jié) 論

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

[1]朱俞仿.裂隙傾角對(duì)灌漿擴(kuò)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(shí)變性的單裂隙動(dòng)水注漿擴(kuò)散模型[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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?yàn)樗娊ㄖこ獭?/p>

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