一種注漿堵水試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)

龐波

摘 要：注漿法是一種應(yīng)用于有水害威脅的特殊地質(zhì)條件的特殊施工手段，其應(yīng)用范圍非常廣泛，適用于地基加固、隧道施工、巷道施工等施工條件，用以改善巖土層性質(zhì)，堵漏涌突水通道，減少地下水對(duì)工程施工的威脅。目前，注漿法施工的相關(guān)試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置類型較少，無法較好地為實(shí)訓(xùn)教學(xué)和科學(xué)研究服務(wù)。因此，本文提出一種注漿堵水試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)方案。該裝置具有模擬化、可視化的特點(diǎn)，能直觀展示注漿堵水過程，并可對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而開展研究，分析注漿擴(kuò)散規(guī)律。

關(guān)鍵詞：地下工程;注漿堵水;試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置;設(shè)計(jì)方案

中圖分類號(hào)：TU753文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）32-0057-03

Abstract： The grouting method is a special construction method applied to special geological conditions threatened by water hazards， its application range is very wide， which is suitable for construction conditions such as foundation reinforcement， tunnel construction， roadway construction， etc.， to improve the nature of the rock and soil layer， block leakage and water inrush channels， and reduce the threat of groundwater to engineering construction. At present， there are few types of related experimental training devices for grouting construction， which cannot serve well for training teaching and scientific research. Therefore， this paper proposed a design scheme of a grouting water blocking experimental training device. The device has the characteristics of simulation and visualization， can visually display the process of grouting and water blocking， and can collect data on grouting parameters， and then conduct research and analyze the law of grouting diffusion.

Keywords： underground engineering;grouting water blocking;experimental training device;design plan

地下工程行業(yè)中使用注漿法施工的歷史已有200多年，其主要用于處理地下裂隙區(qū)域突水涌水的封堵、地基工程的滲漏防治等現(xiàn)象，是現(xiàn)場施工中一種重要的水害防控手段。注漿法施工就是向水害區(qū)域巖土層打鉆孔，借助注漿泵提供的壓力，使?jié){液通過鉆孔或管道壓入地下巖土層的裂隙或空隙中，由于漿液具有流動(dòng)性，在注漿泵壓力的驅(qū)使下，漿液在巖層中產(chǎn)生擴(kuò)散，隨后發(fā)生凝固和硬化，從而提高巖層的強(qiáng)度、密實(shí)性和不透水性，以達(dá)到封堵截?cái)嗟叵掠客凰ǖ?、膠結(jié)地層的作用，使巖土層性質(zhì)滿足工程需求[1]。注漿本身是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及流體力學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，同時(shí)不同施工環(huán)境下巖層物理模型差異極大，以致已有注漿理論一直落后于注漿施工現(xiàn)場的工藝實(shí)踐，對(duì)于如何防治工程施工中存在的突水涌水災(zāi)害，現(xiàn)實(shí)的處理手段往往具有很大的主觀性和經(jīng)驗(yàn)性[2]。

具體來講，注漿法施工中存在以下需要解決的問題：地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律、注漿速率、注漿壓力與注漿倍線之間聯(lián)系的研究較少，以致注漿設(shè)計(jì)方案缺少理論支撐，較多依賴施工經(jīng)驗(yàn);由于缺少模型試驗(yàn)的理論，缺少現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)踐，能夠揭示漿液注漿擴(kuò)散規(guī)律的驗(yàn)證性研究同樣缺乏;面向裂隙帶巖土層中靜水注漿和動(dòng)水注漿擴(kuò)散一般形式的系統(tǒng)分析不多;能夠直觀展示漿液在地下巖土層中擴(kuò)散形態(tài)的研究比較缺乏[3]。延伸到相關(guān)專業(yè)的教育教學(xué)來看，現(xiàn)有注漿法施工的實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置絕大多數(shù)為演示性模型，構(gòu)造過于簡單，不能很好地展示注漿過程，開展注漿施工的相關(guān)試驗(yàn)和研究更是無從談起。

1 注漿堵水試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)

本裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)有三。一是模擬裂隙注漿。通過改變裂隙的形狀以及注漿壓力等參數(shù)，觀察和研究漿液的擴(kuò)散規(guī)律與巖土層裂隙賦存條件、注漿壓力、注漿倍線等工程基礎(chǔ)和施工條件之間的關(guān)系，分析影響注漿工藝擴(kuò)散效果的內(nèi)在、外在因素。二是模擬靜水狀態(tài)下的注漿。通過改變注漿壓力等參數(shù)，對(duì)漿液在靜水狀態(tài)下的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀測和研究。三是模擬動(dòng)水狀態(tài)下的注漿。通過改變注漿壓力等參數(shù)，對(duì)漿液在動(dòng)水狀態(tài)下的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀測和研究。

2 設(shè)計(jì)思路

本研究設(shè)計(jì)的注漿試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置主體部分為長方體容器，具體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。容器分為左、中、右三個(gè)部分，可分別模擬不同類型巖層的裂隙體，其中，左側(cè)、中間兩個(gè)容器為鋼板維護(hù)結(jié)構(gòu)，不可透視。最右側(cè)部分為鋼框架結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的注漿試驗(yàn)。容器外殼由鋼框架、鋼板等材料組裝或拼裝而成，注漿完成后可通過拆解裂隙體來觀察裂隙體內(nèi)漿液擴(kuò)散流動(dòng)情況。

該裝置1號(hào)（左側(cè)）容器中設(shè)置裂隙模擬模塊，外部有砂漿進(jìn)行圍護(hù)，模擬模塊由黏土磚、水泥磚或類似砌塊材料構(gòu)建，水泥砂漿以點(diǎn)結(jié)方法布置在砌塊間，用以模擬裂隙通道的分布。裂隙模擬模塊內(nèi)均勻布置注漿管路、供水管路、壓力及流速、流量等傳感器。

裝置2號(hào)（中間）容器部分的模擬模塊由不規(guī)則的較大石塊堆積構(gòu)成，以巖石自然堆積狀態(tài)模擬裂隙通道。其內(nèi)部同樣布置注漿管路和各種傳感器。

裝置3號(hào)（右側(cè)）容器為透明部分，其中包含上、下兩個(gè)模擬裂隙層面，由不銹鋼制成的框架和高強(qiáng)度強(qiáng)化玻璃制成上部框架，下部位承力層由不銹鋼框架鋼板制成，承力層表面選擇耐高溫、耐腐蝕的乙烯基樹脂進(jìn)行找平，和1號(hào)容器相同，內(nèi)部同樣預(yù)埋各類數(shù)據(jù)采集所需要的傳感器。漿液成分不同，漿液流動(dòng)速度也不相同，為保證漿液在模擬注漿管道和裂隙模擬模塊內(nèi)不發(fā)生淤積，其間加入了可以對(duì)裂隙寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能。以常用硅酸鹽類漿液為例，裂隙寬度可以設(shè)置為3～9 mm。同時(shí)，裂隙下層內(nèi)布置有注漿孔、供水管路，容器底部布置有注漿管路。該可視化容器內(nèi)裂隙模擬模塊可自由制作，在注漿泵和水泵的配合下可分別進(jìn)行靜水注漿和動(dòng)水注漿，對(duì)在靜壓和動(dòng)壓兩種不同狀態(tài)條件下的漿液的流動(dòng)形態(tài)和規(guī)律進(jìn)行觀測分析。

布置數(shù)據(jù)采集接口，通過通信電纜以RS485通信協(xié)議與各傳感器連接。其中，注漿壓力傳感器測壓范圍為0～2 500 kPa。

在可視化試驗(yàn)臺(tái)架上安裝實(shí)時(shí)錄像系統(tǒng)，記錄漿液流動(dòng)現(xiàn)象。

該裝置同時(shí)可以通過改變?nèi)萜鲀?nèi)的材料組成來達(dá)到不同類型注漿試驗(yàn)的目的，具體途徑包括兩種。一是設(shè)置隨機(jī)裂隙模擬模塊，容器外部環(huán)繞安裝能實(shí)現(xiàn)冷卻降溫功能的低溫鹽水循環(huán)管道，用砂漿和錫條兩種材料混合攪拌成充填材料，將其充填進(jìn)容器內(nèi)部，充填材料在容器內(nèi)成型后，啟動(dòng)鹽水降溫錫條，低溫下（-13.2 ℃）錫條會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰?，可以模擬產(chǎn)生隨機(jī)裂隙模擬模塊。二是選取不同巖土力學(xué)性質(zhì)的土樣，將其充填入容器內(nèi)，裝配注漿管路后在靜壓或動(dòng)壓下運(yùn)行，可以進(jìn)行充填注漿、擠密注漿和劈裂注漿等不同注漿分布形態(tài)的注漿試驗(yàn)。

3 注漿試驗(yàn)流程

裝填裂隙體，可按照工程要求模擬相關(guān)巖土層參數(shù)進(jìn)行裝填;打開注漿系統(tǒng)，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需要選擇靜壓或動(dòng)壓注漿，同時(shí)可打開注水管道來模擬地下水影響下的注漿試驗(yàn)，試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)如圖3所示;全過程觀察和記錄注漿量、注漿時(shí)間、注漿壓力、注漿速度等參數(shù)的變化;注漿完畢，打開容器后破壞左側(cè)、中間容器的巖土層裂隙模擬模塊，觀察裂隙、空隙內(nèi)部的漿液分布及充填情況，并進(jìn)一步分析、總結(jié)注漿規(guī)律。

4 試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置預(yù)期效果

相對(duì)于以往的試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置，該裝置可直觀展示漿液在地下巖層裂隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)基本形態(tài)，可以顯著提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。該裝置可依據(jù)實(shí)際工程現(xiàn)場注漿施工過程中的工藝流程和問題，采取相似模擬的試驗(yàn)方法，研究對(duì)比不同注漿工藝參數(shù)下的施工效果，通過注漿參數(shù)的采集、整理和分析計(jì)算，開展注漿時(shí)間、注漿壓力、注漿倍線等參數(shù)和注漿效果之間關(guān)系的分析。在靜水和動(dòng)水兩種不同的技術(shù)條件下，人們要依據(jù)數(shù)值分析方法動(dòng)態(tài)模擬漿液在巖土層中的擴(kuò)散過程，并在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上探究裂隙注漿擴(kuò)散的內(nèi)部規(guī)律，總結(jié)和優(yōu)化裂隙注漿現(xiàn)場工藝，開展相關(guān)科學(xué)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦鵬飛，符平.砂礫石土滲透注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2014（4）：147-150.

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[3]劉健，劉人太，張霄，等.水泥漿液裂隙注漿擴(kuò)散規(guī)律模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012（12）：2445-2452.