水利施工中特殊地層灌漿預加固方法研究

史蘭爽

(山東美譽工程咨詢有限公司，山東 濟寧 272000)

0 引 言

灌漿指的是在水利工程施工中把特定的材料制成漿液，利用壓力原理將漿液注入到特殊地層的孔隙或裂隙內，使其擴散、固化的一種過程[1]。灌漿預加固指的是對水利施工擬開挖地段注入具有填充和凝膠性能的漿液，來降低特殊地層圍巖滲透系數(shù)并固結松散巖體的圍巖。對水利施工中特殊地層灌漿預加固可以防止水利施工過程中發(fā)生水滲透，固定水利工程中各項施工工具，防止施工過程中特殊地層發(fā)生滑坡、地表下沉的情況，提高特殊地層的地基承載力[2]。

傳統(tǒng)的灌漿預加固方法無法減小灌漿時孔隙水壓力的上升，導致漿體對特殊地層的土體產生擾動，從而導致特殊地層產生較大的沉降量，無法保證水利施工中的安全。水利施工過程中，安全是貫徹整個工程的核心。為此，研究中水利施工中特殊地層灌漿預加固方法，可幫助施工過程中盡可能控制特殊地層的沉降量，依據(jù)現(xiàn)有的工程地質條件，預加工特殊地層中的裂隙，減小施工中的困難，最大程度降低水利施工帶來的破壞性，維持特殊地層原有的地表形態(tài)[3]。

1 水利施工中特殊地層灌漿預加固方法研究

1.1 計算特殊地層的應力特征

在水利施工時，特殊地層附近應力場會形成偏壓，這種偏壓的大小與特殊地層內部一點的指向臨空方向的應力相關，所以在計算特殊地層應力特征時，以特殊地層坡口線為坐標原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，建立一個計算模型坐標系，見圖1。

圖1 建立的特殊地層坐標

利用Geo-slope中的線彈性模型，計算特殊地層邊坡的應力場。設定彈性模量E=1.0 GPa，泊松比μ=0.30，得到圖1中x=1至x=6中每一列的應力特征σx對應的y值的變化，參見圖2。

圖2 應力特征變化規(guī)律

由圖2可知，應力特征σx沿著Y軸的方向呈現(xiàn)拋物線的變化，此時特殊地層坡面的σx值并不是最大，而是與坡面近于平行的坡體內部的σx值最大[4]。計算得到σx在特殊地層具體的位置，見圖3。

圖3 應力點所在特殊地層的位置

由圖3所示，所以σx數(shù)值在特殊地層的坡表面即a表面，σx接近線性變化，隨著特殊地層距離的不斷增大，σx值迅速增加，在坡腳達到最大值[5]。計算坡內的剪應力，得到：

(1)

式中：cx，φx為土條在X軸上的有限抗剪強度指標；αy為土條底部的坡腳的坡度；ly為土條底部的長度。隨著坡比變緩，剪應力近似線性減少，但在坡比1∶1.25處出現(xiàn)拐點，當坡比為1∶0.5～1∶1.25時，剪應力減緩的程度比1∶1.25～1∶2.0時要快[6]。最終計算得到應力特征的穩(wěn)定性參數(shù)見表1。

單純的放緩坡度并不能減少坡腳的應力集中，所以在預加固時，還應確定特殊低層的掌子面失穩(wěn)形式，實現(xiàn)水利施工中特殊低層灌漿預加固方法的研究[7]。

1.2 確定特殊地層掌子面失穩(wěn)形式

利用條分法確定特殊地層掌子面失穩(wěn)形式。首先假定若干可能的剪切面-滑裂面，將滑裂面以上土體分成若干垂直土條，對于作用于各土條上的力進行力與力矩的平衡分析，求出在極限平衡狀態(tài)下土體穩(wěn)定的安全系數(shù)，并通過一定數(shù)量的試算，找出最危險滑裂面位置及相應的(最小的)安全系數(shù)[8-9]。調整灌漿過程中的各項參數(shù)，調整參數(shù)見表2。

表1 應力特征的穩(wěn)定性參數(shù)計算表

表2 調整的失穩(wěn)參數(shù)

由表2所示，調整各項剪應力的參數(shù)后，在考慮每個土條底部法向力的平衡，計算得到：

Nt=Wtcosα

(2)

規(guī)定各土條對滑弧圓心的力矩之和為零，直接計算得出土坡的安全系數(shù)為：

(3)

式中：ct和φt為土條t上的有效抗剪強度指標；αt為土條底部的坡角；lt為土條底部的長度；Wt為土條的自重。

計算過程見圖4。

圖4 失穩(wěn)模型計算過程

由圖4所示，根據(jù)靜力平衡建立的方程中，未知數(shù)的數(shù)目超過方程中的數(shù)目和力均平衡條件，對多余的未知數(shù)進行假定，此時沿著劃分的土條兩側垂直面上的剪應力不能超過這個面上所能發(fā)揮的抗剪能力，掌子面上無法產生拉應力，此時掌子面呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，可以沿用此次計算結果，對特殊地層灌漿進行預加固[10-11]。

1.3 實現(xiàn)灌漿預加固

在實現(xiàn)灌漿預加固前，假設灌漿口與特殊地層裂隙面垂直，漿液在壓力的作用下，沿著灌漿口向四周擴散，漿液以牛頓流體的規(guī)律擴撒，擴散鋒面呈圓形，假設裂隙平直光滑，不考慮傾角的影響時，單位時間內的灌漿量為Q，漿液擴散半徑為r，灌漿漿液在特殊地層擴散鋒面處的流速為：

(4)

其中：vr為漿液的流速；h為裂隙寬度。

進一步計算得到特殊地層裂隙水中的流動規(guī)律：

(5)

式中：γ為流體重量；Jf為水力梯度；μ為流體動力黏滯系數(shù)。

將式(4)代入式(5)中，整理計算得到：

(6)

對式(6)積分處理，計算得到牛頓流體在特殊地層內流動的驅動壓力為：

(7)

此時r0為特殊地層的裂隙半徑，依照式(7)可以得到擴散半徑求解所需的注漿壓力參數(shù)[12]。

當特殊地層裂隙中存在靜水壓力為pw的地下水時，此時應設置地下水參數(shù)，計算得到：

(8)

由式(7)、式(8)可知，最終的灌漿壓力與漿液擴散半徑的參數(shù)為單位時間泵入量、漿液黏度、裂隙寬度、地下水壓力等參數(shù)，其中裂隙寬度參數(shù)最為重要[13]。但在實際水利工程中，裂隙表面粗糙，走向不斷變化，裂隙寬度變化較大，在局部裂隙張開度極小，對于水泥類懸濁液注漿材料而言，漿液滲流過程中較窄的裂隙容易導致漿液顆粒堵塞，使得漿液的滲流受阻，無法實現(xiàn)預期注漿擴散范圍所需的注漿壓力[14]。所以在實現(xiàn)灌漿預加固時，將式(8)整理為：

(9)

其中，η表示裂隙內單位面積上的流動阻力參數(shù)，決定著裂隙表面的粗糙性和曲折性[15]。

基于上述計算，最終確定得到預加固的鉆孔位置。預加固時，在淺孔滲透注漿加固的基礎上再進行高壓深孔劈裂注漿，設計劈裂注漿區(qū)厚度2.5 m，注漿材料選用易滲透、高強度的超細水泥漿液，控制注漿的水灰比控制在0.75～0.85，預加固的灌漿圖見圖5。

圖5 預加固灌漿示意圖

由圖5所示的深孔劈裂灌漿圖可知，在特殊地層鉆7個孔隙，在各個孔隙中利用圖5所示的灌漿管進行灌漿，最終實現(xiàn)特殊地層灌漿的預加固。

2 實 驗

2.1 實驗準備

實驗準備灌漿設備及灌漿材料，設備的性能指標見表3。

表3 設備性能指標

使用表3中的設備，將煤和泥巖巖樣破碎成不同大小塊度，破碎完成后使用圓孔篩選破碎后的巖體，獲得塊徑尺寸為5～10 mm,10～20 mm,20～30 mm和30～40 mm的碎塊備用。按照既定的比例稱重，獲得不同塊度分布的巖樣組合，并分層鋪設保證鋪設的均勻、密實。為確保灌漿過程中不跑漿，將表3中的設備頭安放到固定位置，破碎巖樣的裝填比例見表4。

表4 破碎巖樣的裝填比例

采用水灰比為0.85∶1配置水泥漿液，在實際的水利施工中特殊地層中使用。分別使用兩種傳統(tǒng)預加固方法與水利施工中特殊地層灌漿預加固方法進行預加固實驗，對比3種預加固方法最終得到的特殊地層地表沉降情況。

2.2 實驗結果分析

在特殊地層設置5個測量點，3種預加固方法最終得到的沉降量結果見圖6。

圖6 3種預加固方法實驗結果

由沉降實驗結果圖所示，以設置的5個測點得出的沉降量為基準，最終傳統(tǒng)預加固方法1造成特殊地層的平均沉降量為5 mm，傳統(tǒng)預加固方法2最終得到的沉降量為3.5 mm。而水利施工中特殊地層灌漿預加固方法最終特殊地層的沉降量為1 mm，相比于兩種傳統(tǒng)預加固方法的沉降量，水利水利施工中特殊地層灌漿預加固方法造成的沉降量更小，幾乎不對原有的特殊地層造成下沉的影響，保證特殊地層的原有的機理，維持水利施工的正常進行，更適合在實際中使用。

3 結 語

隨著水利施工工程難度的不斷增加，工程量不斷加大，逐漸破壞了水利施工環(huán)境中原有生態(tài)環(huán)境，研究一種水利施工中特殊地層灌漿預加固方法可以緩解水利施工中特殊地層下沉的問題，增強了灌漿預加固的技術性，實現(xiàn)了對特殊地層灌漿強度的解析計算，改善了傳統(tǒng)灌漿預加固方法的不足，讓灌漿預加固方法更具有科學性。