（水利水电工程专业论文）大坝基岩灌浆对趾板抬动变形的影响机理研究.pdf

西华大学硕士学位论文 大坝基岩灌浆对趾板抬动变形的影响机理研究 水利水电工程 研究生：刘永豪指导教师：涂兴怀 摘要 灌浆在水利水电工程中是最常见的一种施工方法，它包括固结灌浆、帷幕 灌浆和接触灌浆等。近年来，混凝土面板堆石坝在水利水电工程中是一种常见 的坝型，而此坝型的固结灌浆和帷幕灌浆一般都是在趾板上进行施工。在施工 中经常会引起趾板的抬动变形，甚至可能使趾板产生裂缝，从而严重影响混凝 土面板堆石坝的整体性和防渗能力。为了能够为以后此类工程的趾板基岩灌浆 提供理论依据和解决方案，提高灌浆质量，我们有必要对趾板抬动机理进行分 析研究。 本论文为了探讨大坝灌浆趾板抬动机理，首先介绍了灌浆的几种理论和浆 液在裂隙中的流动规律及其扩散半径，又阐述了灌浆的作用机理，从而使我们 在理论上对灌浆有了一个深入的了解，为后续的工作奠定了基本理论。其次又 分析了影响趾板抬动值的几种因素，如灌浆压力、注入率、观测距离和趾板厚 度，让我们深入了解了这些因素是如何影响地表抬动值的。最后根据统计模型 方法和概率模型方法，对节理裂隙岩体网络系统进行模拟，建立起可供模拟灌 浆过程和分析计算的节理裂隙网络系统。通过一些条件的假设和利用“等效岩 体 的方法，对节理岩体模型进行了简化，建立适合有限元方法分析的计算模 型。利用有限元a n s y s 软件对实际工程紫坪铺水利枢纽工程大坝趾板灌 浆施工过程中出现的抬动变形进行模拟计算分析，其结果与灌浆实验报告中的 趾板抬动值基本相符，并在此基础上对灌浆抬升机理进行了研究分析。 关键词：趾板灌浆；抬动；a n s y s ；数值模拟 西华大学硕士学位论文 s t u d yo ft h eu p l i f t i n gd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h et o es l a b i nd a mb e d r o c kg r o u t i n g w a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：l i u y o n g h a ot u t o r ：t u x i n g h u a i a b s t r a c t g r o u t i n g i so n eo ft h em o s tc o m m o nc o n s t r u c t i o nm e t h o d si nw a t e r c o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e rp r o j e c t ，w h i c hi n c l u d e s t h ec o n s o l i d a t i o ng r o u t i n g ， c u r t a i ng r o u t i n ga n dc o n t a c tg r o u t i n g , a n ds oo n i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o n c r e t ef a c e r o e k f i l ld a mi sac o m m o nt y p eo f d a mi nw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e rp r o j e c t ， a n dc o n s o l i d a t i o ng r o u t i n ga n dc u r t a i ng r o u t i n go ft h i st y p ed a ma l eg e n e r a l l y c a r r i e do u to nt h et o es l a b d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fg r o u t i n g ，t h et o es l a b i sg e n e r a l l yu p l i f t e d ，o re v e nl i k e l yt op r o d u c ec r a c k si nt h et o es l a b ，w h i c hs e r i o u s l y a f f e c tt h ei n t e g r i t ya n dt h ei m p e r m e a b l ec a p a c i t yo ft h ec o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m f o rt h ef u t u r ei no r d e rt op r o v i d et h et h e o r yb a s i sa n dt h es o l u t i o nf o rt h et o es l a b g r o u t i n go f t h i sk i n do fp r o j e c tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fg r o u t i n g ，i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yo fu p l i f t i n gm e c h a n i s m o f t o es l a bg r o u t i n g i n t h i sp a p e r , i no r d e rt oe x p l o r et h eu p l i f t i n gm e c h a n i s mf o rd a mt o es l a b g r o u t i n g ，f i r s to fa l l ，i n t r o d u c i n gt h es e v e r a lk i n do fg r o u t i n gt h e o r i e sa n dt h ef l o w l a wa n dt h ed i f f u s i o nr a d i u so ft h es e r o u si nt h ef r a c t u r e ，a l s oe l a b o r a t i n g m e c h a n i s mf o rg r o u t i n g ，t h u st h i sm a k eu sh a v ea ni n d e p t hu n d e r s t a n d i n gf o rt h e t h e o r yo fg r o u t i n ga n dh a se s t a b l i s h e dt h ee l e m e n t a r yt h e o r yf o rt h ef o l l o w i n gw o r k ； s e c o n d l y , a n a l y z i n gs e v e r a lf a c t o r sw h i c hi m p a c tt h ev a l u eo fu p l i f t i n gd e f o r m a t i o n o ft h et o es l a b ，s u c ha sg r o u t i n gp r e s s u r e ，i n j e c t i o nr a t e ，o b s e r v a t i o nd i s t a n c ea n dt h e t h i c k n e s so ft h et o es l a b ，w h i c hm a k eu sk n o wi n - d e p t hh o wt h e s ef a c t o r sa f f e c tt h e v a l u eo fu p l i f t i n gd e f o r m a t i o no ft h et o es l a b ；f i n a l l y ，a c c o r d i n gt om e t h o d so f s t a t i s t i c a lm o d e l sa n dm e t h o d so fp r o b a b i l i t ym o d e l ，m a k i n gas i m u l a t i o nf o rt h e j o i n t e dr o c km a s ss y s t e mt oe s t a b l i s hf r a c t u r e dr o c km a s sj o i n tn e t w o r ks y s t e mf o r 西华大学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o no fg r o u t i n gp r o c e s sa n dt h ea n a l y s i sc o m p u t a t i o n b ym e a n so fu s i n g t h ea s s u m p t i o no fc o n d i t i o n sa n d e q u i v a l e n tr o c km a s s ”a p p r o a c h , s i m p l i f y i n gt h e m o d a lo fi o i n t e dr o c km a s ss y s t e mt os e tu pac a l c u l a t i o nm o d e ls u i t a b l ef o rt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n s y ss o f t w a r et os i m u l a t ea n d s t u d yo fu p l i f t i n gd e f o r m a t i o no ft h et o es l a bo fg r o u t i n gp r o c e s so ft h e a c t u a l p r o j e c t z i p i n g p uw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t ，t h er e s u l t si sb a s i cm a t c h c a s ew i t h t h ev a l u eo fu p l i f t i n gd e f o r m a t i o no ft h et o es l a bi nt h ee x p e r i m e n t a lr e p o r tg r o u t i n g ， t h e ns t u d y i n gt h eu p l i f t i n gm e c h a n i s mf o rd a mt o es l a bg r o u t i n go nt h eb a s i so ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：t o e s l a bg r o u t i n g ；u p l i f t i n g ；a n s y s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 两牛人学硕l ：学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而是用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读硕期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： 突。求象俨歹月矽日 ? 暖纺、嗲年c 聃只 两华人学硕l ：学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密町选用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：玄3 尔缸指导教师签名：膨z 勿容 同期：矽口彳旷矽 闩期：印- s 趵 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 根据技术文献记载，在2 0 世纪以前，没有正式进行过大坝坝基灌浆。以后， 由于筑坝工程的需要和发展，在大坝坝基处理方面才开始采用灌浆的方法，其 主要优点是：效果较好，实用性较广，施工工艺比较简单，也比较经济。于是 在建坝的过程中，使用灌浆技术愈来愈多，逐渐发展成为一种专门性的技术学 科。随着水利水电建设的发展，国内修建的大坝愈来愈多，地质条件良好的坝 址，多已尽先开工修建。约自2 0 世纪6 0 年代开始，国内在一些地质条件复杂 的，例如岩溶发育，冲积层深厚，渗透性大的地区，也逐渐修建大坝，甚至有 很多是1 0 0 m 以上的高坝。故而，大坝坝基灌浆工作也就随之由易到难，由一 般性旋工至特殊处理，我国的地基处理灌浆技术有了很大的发展和提高。 1 1 1 灌浆的含义 简单地说，灌浆( g r o u t i n g ) 就是将某种具有流动性和胶凝性的浆液或化学溶 液，按照规定的配比或浓度，借助机械( 或灌浆自重) 对之施加压力，通过钻 孔或其它设施，压送到需要灌浆的部位( 例如：大坝坝基岩石裂隙或砂砾石地 基的空隙，隧洞周围岩石的裂隙，隧洞衬砌与围岩之间的空隙，混凝土大坝坝 体接缝，以及水工建筑物混凝土缺陷中的孔洞或裂缝等) 中的一种施工技术。 灌浆又称注浆( h j e c t i o n g r o u t ) ，其实质是使浆液在被灌载体中( 节理裂隙、 空隙、孔洞和裂缝) 渗透、扩散、充塞，经一定时间后凝固和硬化，从而起到 固结、粘合、防渗、提高承载强度和变形能力以及传递应力等作用。 灌浆具有以下四种作用【i j ： ( 1 ) 充填作用：浆液凝成的结石将地层空隙充填起来，可以阻止水流通过， 提高地层的密实性。 ( 2 ) 压密作用：在浆液被压入的过程中，将对地层产生挤压，从而使那些 无法进入浆液的细小裂隙和孔隙受到压缩或挤密，使地层密实性和力学性能都 得到提高。 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 粘合作用：某些浆液的胶凝性质可以使己经脱松的岩块、建筑物裂缝 等充填并粘合在一起，使其联合承载能力得到改善。 ( 4 ) 固化作用：某些浆材( 例如水泥和某些化灌材料) 可与地层中的粘土等松 软物质发生化学反应，将其凝固成坚固的“类岩体”。 而大坝坝基灌浆的作用就在于通过采用灌浆技术处理坝基岩石或砂砾石 层，使之满足筑坝工程的需要，确保大坝地基稳定、安全、水库正常运行，发 挥应有效益。 1 1 2 大坝基岩灌浆的主要特点 大坝基岩灌浆的主要特点有二：一是隐蔽性工程，灌入的浆液在岩石中充 填的情况，无法直观评定，施工质量也难于直观判断。另一是灌浆工程设计的 复杂性，难于用数学方法或数学公式准确地计算参数。 1 1 3 大坝基岩灌浆分类 ( 1 ) 按大坝坝基岩类构成，分为岩石灌浆和砂砾石层灌浆。 ( 2 ) 按灌浆的作用，分为固结灌浆、帷幕灌浆、接缝灌浆、回填灌浆和接触 灌浆。 ( 3 ) 按灌浆材料，分为水泥灌浆、水泥砂浆灌浆、水泥粘土灌浆及化学灌浆。 ( 4 ) 按灌浆压力，分为高压灌浆( 3m p a 以上) 、中压灌浆( o 5 - 3m p a ) 、低压 灌浆( o 5 m p a 以下) ，后两类也可称为常规压力灌浆。 ( 5 ) 按灌浆机理，分为渗入性灌浆和劈裂式灌浆。 1 1 4 趾板 ( 一) 趾板1 1 j 混凝土面板堆石板的挡水防渗体系包括：面板、趾板、趾板下基岩的固结 灌浆和帷幕灌浆、周边缝和板间缝中的止水结构以及坝顶防浪墙。 趾板与面板共同作用，形成坝基以上的防渗体。通过趾板对板下基岩进行 固结灌浆和帷幕灌浆，封闭趾板以下基岩的渗流通道，从而形成一个完整的防 渗体系。因此，趾板是一个承上启下的防渗结构，其主要作用：作为趾板板下 基岩灌浆的盖板；保证面板与坝基基岩间的不透水连接：当采用滑动模板施工 2 西华大学硕士学位论文 时，趾板又可作为滑动模板施工的开始工作面。 面板 蝼 j 簿 旺二一 l r _ ! 二堂一 趾扳。j * ，、 = + i 基岩? f i g u r el - i t o ec r o s ss e c t t o n 图l 一1 趾板横截面图 ( i ) 趾板的体型 趾板的横截面见图1 - 1 。图中x 点为面板点面线与趾板地面的交点。各 截面的x 点连线称为趾板的基准线，它在空间上呈一系列的折线段连接，折 线转角应根据地形、地质条件确定，以最大限度地保证每段趾板均布置地质条 件好，开挖量最小，混凝土方量最省，施工方便的岸坡上，一般讲，趾板最终 定线是在施工过程中完成的。 ( 2 ) 趾板几何图形设计 0 趾板应建在稳定的良质基岩上，以避开断层、破碎带、缓倾角裂隙灯不 良地质条件部位，以防止趾板产生较大的变形或滑动失稳。 o 趾板宽度与基岩性质和所承受的水头h 有关，趾板宽度除应满足允许水 利坡降的要求外，尚需考虑灌浆的要求。 对于新鲜、微风化基岩h s = 2 0 2 5 ； 对于弱风化基岩f f s = 1 0 2 0 ； 对于强风化基岩f f s = 5 1 0 ； 对于全风化、破碎、软弱基岩s = 3 5 ： 高坝趾板宜按水头太小分高程采用不同宽度。趾板最小宽度一般取3 m ， 若坝高低于4 0 m ，且坐落在良好基岩上，其宽度取值还可小一些。 o 趾板厚度h 应满足趾板自身稳定和起到灌浆盖板作用，同时还应考虑温 度应力和施工要求。最小厚度应不小于0 3 m 。作用水头超过1 0 0 m 的部位，趾 西华大学硕士学位论文 板厚度通常不小于0 6 m 。厚度一般在o 6 i n 1 2 m 2 1 。 趾板头部斜长段，即图1 1 中o t ，该段与防渗面板在同一平面上，其长 度一般不小于0 6 m 。 0 趾板下游端面应与面板垂直，即图1 i ( a ) 中t e 垂直q t ，同时要求 在最大坝高处趾板下游端的最小堆石厚度n 应不小于0 8 1 0 m 。对于两岸高程 较高部位的趾板，n 值可以减小。有时为了方便趾板立模施工并节省部分混凝 土，趾板横截面也可设计成如图1 1 ( b ) 的样式，此时则要求腰2 t m ( t m 为周边缝处面板厚度) 。 ( 3 ) 趾板的配筋、接缝和插筋 趾板大多采用单层双向配筋，即配温度筋，布置在趾板上部，净保护层 厚度1 0 - q 5 c m ，每向配筋率为0 2 - 0 3 ，用钢筋架立。软基上趾板的配筋宣 布置在趾板的中央，各向配筋率为0 3 4 。 o 施工缝间距可取1 0 - - - 1 5 m ，一般由施工单位根据具体情况自行确定，缝 中设止水片。 o 为了增强趾板混凝土与基岩间的连接，并防止和减少灌浆时浆液沿接触 面缝隙流入过多，对趾板产生大的上抬力，导致趾板板面抬动，甚至产生裂缝， 所以趾板应用砂浆锚杆与基岩连接在一起。插筋锚杆直径一般为2 5 3 0 m m ，间 距1 2 1 5 m ，长为3 5 m ，方格形布置，顶部用9 0 0 弯钩与趾板面层配筋连接。 1 2 本课题研究的意义 灌浆在水利水电工程中是最常见的一种施工方法，它包括固结灌浆、帷幕 灌浆和接触灌浆等。其中固结灌浆和帷幕灌浆应在不引起混凝土面( 或岩面) 抬动，或抬动不超过的允许值的前提下进行施工。尽量防止由于抬动变形而使 混凝土产生裂缝，影响水工建筑物的整体性。近年来，混凝土面板堆石坝在水 利水电工程中是一种常见的坝型，而此坝型的固结灌浆和帷幕灌浆一般都是在 趾板上进行施工。在施工中经常会引起趾板的抬动变形，甚至可能使趾板产生 裂缝，从而严重影响混凝土面板堆石坝的整体性和防渗能力。所以，我们有必 要对其抬动机理进行分析研究，并提出相应的解决措施，使其抬动变形控制在 所允许的范围之内，从而为以后此类工程的趾板基岩灌浆提供理论依据和解决 方案。这就是本课题的意义所在。 4 西华人学硕：l 学位论文 1 3 国内外发展现状 灌浆技术己有2 0 0 多年的历史，据文献记载【3 】，灌浆法的最早采用是在1 8 0 2 年，由法国的查理士贝利尼( c h a i l e s b e r i g h y ) 所发明，最先用在对第厄普 ( d i e p p e ) 冲刷闸的修理上。大约在1 8 5 6 - - 1 8 5 8 年间，英国的w r 基尼普尔 ( k i n i p p e ) 在作了一系列试验之后，第一次把水泥用于灌浆。灌浆压力在国外6 0 年代即已达到i o m p a 【4 5 l 。化学灌浆是在1 9 2 0 年由德国的尤斯登( j o o s e n ) 首先 使用水玻璃和氯化钙作为灌浆材料开始出现的，到6 0 年代中期，灌浆材料己达 3 0 多种。所有这些发明与创造，都为现代灌浆技术奠定了基础。9 0 年代初期， 由15 届国际大坝会议主席、世界知名灌浆专家隆巴迪【6 1 ( gl o m b a r d i ) 等人提出 了一种新的设计和控制灌浆工程的方法一“灌浆强度值 ( g r o u t i n g i n t e n s i t y n u m b e r ，缩写g i n ) 法。 隆巴迪提出的g i n 灌浆法目前受到广泛推广应用，该方法是使用单一水灰 比的稳定浆液，按灌浆强度值g 玳进行灌浆控制的一种灌浆方法。g i n 值可用 灌浆孔段的最终灌浆压力p ( m p a ) 和单位灌浆量v ( l m ) 的乘积表示： g n = p 搴v ( m p a * l m 。对于g i n 法的工艺特点要求必须有灌浆全程的实时 监控。g i n 灌浆法从理论上解决了灌浆帷幕的形成机理，但它对地质条件很少 给予重视，很难改进岩体灌浆效果。在具有宽裂隙岩体中灌浆，使用g i n 法几 乎不能形成搭接的灌浆帷荆丌。 灌浆法在我国的大量采用，是在1 9 4 9 年新中国成立以后，经过多年来的试 验研究和实际应用，在水泥、粘土等传统材料的灌浆技术上有了很大的发展和 提高。钻孔方法从原来只能采用手风钻、铁砂或钢粒、硬质合金钻进，已发展 到可以大量采用人造金刚石钻进和深孔潜孔冲击钻进，施工效率大大加快。灌 浆分段的阻塞方式现在有了更多的型式，自乌江渡坝开始，相继又在龙羊峡、 东江、大化、于桥、托海以及南谷洞等许多大坝帷幕灌浆中采用的孔口封闭器， 既可实行重复灌浆，提高效果，又可减轻劳动强度，提高效率。灌浆设备的承 压能力，已可达乱8 m p a 。现在，我国已能进行各种类型的灌浆设计和施工， 许多方面己达世界先进水平。 趾板基岩固结灌浆和帷幕灌浆时，常常因为各种原因引起趾板的抬动变形。 目前，国内外的研究分析认为，对趾板抬动变形影响的因素主要包括：灌浆的 5 西华大学硕士学位论文 压力、注入率、抬动观测孔离灌浆点的距离、基础地质条件、趾板与基岩接触 情况、浆液水灰比、孔深，孔距和灌浆次序等诸多因素。但主要影响因素是灌 浆压力与注入率，因此，在灌浆过程中灌浆压力和注入率的控制就显得十分重 要。 目前国内外大多都是通过实验的方法，针对某一具体工程的地质状况，进 行灌浆实验，来分析这些因素对抬动变形的影响程度，从而找出“极限灌浆压 力”、合适的注入率和合理的抬动观测孔离灌浆点的距离。随着计算机技术的发 展，各种分析软件在工程中的应用越来越广泛。如何通过收集到的地质资料， 模拟出岩体的节理网络结构，通过数值方法( 有限元法、边界元法、离散元法、 非连续分析方法及数值流形元法) 来分析模拟，求出“极限灌浆压力”，可以对 灌浆试验提供一些指导，并期望能取代一部分灌浆试验，节约工程投资，这是 灌浆方法未来的发展趋势，也是本文研究的重点。 1 4 论文的主要工作 本文研究的主要内容、途径及技术路线： ( 1 ) 、回顾了灌浆技术的发展历史尤其是趾板基岩灌浆的现状，并指出了灌 浆方法今后的发展趋势。 ( 2 ) 、详细阐述了灌浆的机理。本文主要研究是水泥浆液，主要描述了水泥 浆液在裂隙中的流动规律和作用机理。 ( 3 ) 、根据统计模型方法和概率模型方法，对节理裂隙岩体网络系统进行模 拟，建立起可供模拟灌浆过程和分析计算的节理裂隙网络系统。通过一些条件 的假设和利用“等效岩体”的方法，对节理岩体模型进行了简化，建立适合有 限元方法分析的计算模型。 ( 4 ) 、利用a n s y s 软件对工程实例紫坪铺水利枢纽工程大坝趾板灌浆 施工过程中出现的抬动变形进行模拟，在此基础上对灌浆抬升机理进行了研究。 ( 5 ) 、工程措施模拟。灌浆引起趾板抬动变形，目前大多采取的工程措施是 用锚杆进行锚固。对这个工程措施的效果进行了模拟分析。 6 西华大学硕士学位论文 第二章灌浆的基本理论及作用机理分析 2 1 灌浆的基本理论 与灌浆工艺、灌浆设备和灌浆材料的快速发展相比，灌浆理论特别是裂隙 岩体的灌浆理论发展却很缓慢。裂隙岩体灌浆理论可以归纳为多孔介质灌浆理 论、拟连续介质灌浆理论、裂隙介质灌浆理论等。 2 1 1 多孔介质灌浆理论 首先得到应用和发展的是多孔介质灌浆理论。 液在砂层的球形扩散公式嗍，扩散公式为 日一= 盟4 n c t 卜 , r o i 1 ) 1 9 3 8 年m a a g 推导出牛顿浆 常见的球形扩散公式还有r a f f l e - g r e e n w o o d 公式和k a r o l 公式【9 1 ： k a r o l 公式f = 卫尺2 或r = 3 k h 。 。“ ( 2 1 ) ( 2 2 ) 公式2鲁鱼(等-：1)一-f4t，一。1 3 r a f f l e g r e e n w o o d) 。2 3 ， = o il l 一li 一 一l i 觚li ji 矗j1 公式u 二， j ( 2 ) 肛= 罴+ 妒去l 上述球形渗透理论模型，见图2 1 ，以上各式中：r 为浆液的渗透半径，c m ； k 为被灌载体的渗透系数，c 川s ；厣为浆液粘度与水的粘度之比；n 为土体的 孔隙率；h 。为灌浆点静水压力水头，c m ；h 。为灌浆压力，c m ；为灌浆点总 压力水头；f 为注浆时间，s ；r o 为注浆管的半径，c m 。 假定= 1 ，并且( 一) 一定，当r 从变化到无穷大时，从( 2 1 ) 式 可以看出q 从无穷大变化到4 1 d 一h o ) ，如果一直注浆下去，注浆量q 还是 无穷大。而应用r a f f l e g r e e n w o o d 公式( 2 3 ) ，q 则从4 7 机( 日一h o ) 3 变化到 4 n ( 日一h o ) 。可见r a f f l e g r e e n w o o d 公式更为合理，这是因为 r a f f l e g r e e n w o o d 公式不仅考虑了地下水的静压作用，而且认为注入的浆液驱 7 西华大学硕士学位论文 使土中孔隙水的运动并产生粘性阻力损失。另外m a a g 公式没有考虑土体自身 的力学指标( 如变形模量和剪切强度等) ，而这势必影响浆液的扩散。 f i g u r e2 - 1s e r o u ss p h e r i c a ld i f f u s i o nm o d e l 图2 - 1 浆液球形扩散模型 f i g u r e2 - 1s e r o u sc y l i n d r i c a ld i f f u s i o nm o d e l 图2 - 2 浆液柱形扩散模型 另外还有柱形渗透扩散公式【1 0 1 牛顿浆液柱形扩散公式：足兰1 ；焉 c 2 4 ， 上式的理论模型见图2 - 2 。 宾汉姆浆液：柱形扩散公式：r = ( 2 5 ) 其中：e = 罟毒0 1 4 为孔隙参数；掰为裂隙岩体的单位厚度裂隙率；d 。为孔 隙直径，c m ；d o 为土颗粒直径，c m ：r 和最分别为浆液在注浆孔壁和r 处 的注浆压力；为浆液的塑性粘度；r 为浆液的扩散半径；a 为试验常数： 西华大学硕士学位论文 b = 气i u 为流体流变常数；刀为土体的孔隙率。 从上述浆液的扩散公式可以看出，浆液在多孔介质中的扩散半径r 为时间 t 、浆液粘度、土体孔隙率疗、土体渗透系数k 以及注浆压力p 的函数，即 r = f ( t ，l l , k ，p ) 。 若应用于各向异性岩体，则可将( 2 4 ) 式中的地层渗透系数k 换为裂隙岩体 的等效渗透系数气七，( 1 1 1 k = 丢七， d j 其中：k ，为裂隙的渗透系数；p 为裂隙张开度：d 为裂隙间距。 2 1 2 裂隙介质灌浆理论 由于天然岩体内裂隙分布复杂，目前裂隙介质灌浆理论只限于研究浆液在 光滑的单一裂隙内的流动规律。不少学者假定浆液为牛顿型，得到了浆液在裂 隙中的渗透规律。 刘嘉材推导了浆液沿裂隙面径向流动的扩散方程【1 2 l ，其理论模型见图2 3 。 尺一 0 0 9 3 ( p c p o ) t a 2 t o o 2 1 式中：r 为扩散半径，c m ：昂为灌浆孔内压力，k p a ：p o 为裂缝内地下 水压力，k p a ；t 为灌浆时间，s ；艿为裂缝宽度，c m ；r o 为灌浆孔半径，c 聊： 为浆液粘度，m p a 8 。 贝克( b a k e r ) 假设注浆孔横穿宽度为万的单一光滑裂隙，通过图解法得出浆 液在裂隙中的渗透规律【1 3 l ： q = ，r r w h 6 3 6 p l n ( r r o ) ( 2 7 ) 改进的贝克( b a k e r ) ( 1 9 7 4 ) 公式1 1 4 1 为： r 一只= 警t n 罢+ 筹 万1 ) 泣8 ， 其中：r 为钻孔半径处注浆压力；最为r 处的注浆压力；艿为裂隙宽度： 9 62( + _ | 姒 1j 西华大学硕上学位论文 z p 。? 一 、p p + 竺 h d r l 、卜 l 9 l 。、一， e型妇 i - - r - r - 1 7 一t 1 1 - 1 t i j j l - 上l 土- 。 f i g u r e2 - 3 s e r o u sd i f f u s i o nm o d e lp i c t u r e 图2 3 浆液扩散模型图 q 为浆体的浆液流量；表示水的重度：p 暑为浆液密度；为浆液动力粘度。 式( 2 8 ) 第一项表示因摩擦造成的压力损失；第二项表示辐射流中因动能 改变而造成的压力损失，通常可以忽略不计。 大多数粘土浆液和一些化学浆液都属于宾汉姆流体。水泥浆的水灰比w i c 小于l 时，水泥浆液也属于宾汉姆流体【9 1 。w i t t k e l 9 1 熨、w a l l n e r 9 1 、h b 加宾【9 1 、 g l o m b a r d i 9 , 1 6 和a m a d e i 1 等相继推导了宾汉姆流体在裂隙中的流动规律。 根据w a l l n e r ( 1 9 7 6 ) 公式可得宾汉姆浆液在二维水平裂隙中的流量【9 】 q = p w 9 8 3 m - i ( 1 3 a + 4 a 3 ) ( 2 9 ) 。 1 2 肚 厂-11 其中：彳= m i n l 赢，主l ：p w 为水的密度；万为裂隙张开度；名为裂 隙间距；z 为浆液粘度；浆液的屈服强度；厶为裂隙长度。 h b 力宾推导了单一水平裂缝中浆液辐射流动时的压力公式： p：3(r-ro)4-一6qzln(rro) ( 2 1 0 ) 6稻j l o 西华大学硕士学位论文 若考虑倾斜裂隙中的重力影响，上式变为： p ：下3 r o ( r - r o ) + 至旦掣名犬s i n o ( 2 1 1 ) 6冬霭6 1 3 其中：乞为浆液重度；秒为裂缝倾角；裂缝向上倾斜时用“+ ：裂缝向下 倾斜时用“一 ；其它符号意义同上。 g l o m b a r d i 公式【1 6 】： r 一：型 ( 2 1 2 ) “ 式中：尺一为浆液最大扩散半径；p 眦为最大注浆压力：吒浆液的屈服强 度。 上述公式均假定裂隙光滑；裂隙宽度一定，且不随注浆压力改变：浆液在 裂隙内的流动为层流。对于裂隙粗糙度的影响、天然裂隙的开度取值和浆液在 裂隙内为紊流运动时的浆液渗透公式还有待研究。 2 1 3 拟连续介质灌浆理论 拟连续介质灌浆理论是通过等效原理把裂隙中的浆液流动等效平均到整个 岩体中，然后运用连续介质理论进行分析。浆液在拟连续渗透各向同性的岩体 介质中的渗透系数【1 8 l 后：r 8 3 2 2 一a ( 2 1 3 ) 厅= 一一 j 1 2 b 式中：，为浆液重度；艿为裂隙宽度；名为岩体平均裂隙密度，允= n i ， 为与灌浆孔相交的裂隙数，乞为注浆孑l 长度；为浆液粘度：a 和b 为由浆 液性质决定的常数。 2 2 浆液的分类【1 9 j 根据流变学观点，任何灌浆载体或浆液基质均可用流变模型来描述。诸如 灌浆载体中服从胡克定律的弹性体，例如三峡工程微风化和新鲜完整的闪云斜 长花岗岩。而在存在断层破碎带中及岩溶发育良好的地方，则大多属于塑性体 西华大学硕士学位论文 等等。水泥浆液一般用粘性及塑性一粘性来界定。这就是常说的牛顿( n e w t o n ) 体和宾汉姆( b i n g h a m ) 体。于是，灌浆载体在弹性与塑性之间变化：浆液基质在 粘性与粘一塑性之间变化。灌浆的实施就是这两者变化的组合与调节。 2 2 1 牛顿( n e w t o n ) 体 牛顿体，是牛顿流体的简称，是指只有粘滞性的流体，其切应力( f ) 与 切应变( 半) 之间满足“牛顿粘滞定律”的流体，可用公式表示为： d x f ：刀一d v ( 2 1 4 ) 弘7 瓦 4 j 式中7 7 粘滞系数，又称动力粘度，简称粘度，p a s 。 粘滞性亦称“内摩擦”，它是液体、气体和等离子体内部阻碍其相对流动的 一种特性。如果在流动的流体中平行于流动方向相反的阻力或曳力存在。这种 阻力或曳力，称为“粘滞力 或叫做“内摩擦力 。 浆液具有粘滞性毋庸置疑。当它沿着灌浆载体裂缝缝壁流动，或浆液在地 下水流体中流动时，由于“附着力 的作用，与缝壁或与水紧接的一层浆液会 附着其上，邻近浆液则相对于该层滑动。“附着力”指两种不同介质接触部分的 相互吸引力，它只有在其分子直径小于1 0 - 6 c m 时才呈现出，浆液与被灌浆固体 的接触部位同样呈现附着力，而固体缝隙，哪怕是密闭紧合也不可能呈现附着 力。这就是为什么采用液态浆材来防渗、加固与补强灌浆载体的缘由。另外， 正因为这种附着力的存在，又使滑动、扩散、渗透的距离不可能无限延伸，故 出现了灌浆时效问题，浆液是稀好还是稠好之争等等。 2 2 2 宾汉姆( b i n g h a m ) 体 宾汉姆体，是宾汉姆流体的简称，是指同时具有粘性与塑性的流体。 所谓塑性，通常是指材料或物体受力时，当应力超过屈服点后，能产生显 著的变形而不立即断裂的性质。这种显著的变形是非线性且不可逆的，而弹性 变形是可逆的并呈现线性的。 对于水泥或水泥粘土浆液，通常能用粘性( r ) 及粘聚力( c ) 两个参量 确定的稳定的悬浮浆液，加上浆液的比重( y ) ，就可呈现流体内在的流态。宾 汉姆流变理论可表示为： 1 2 西华大学硕士学位论文 f ；c + r 一d v ( 2 1 5 ) 出 我们知道，悬浮浆液是指固相颗粒( 线性大小在0 1 朋以上) 悬浮于液相 中的一种多相分散系统。它不能进入比水泥颗粒尺寸还窄的裂隙，届时就需要 寻求利用液相配制的化学浆材去替代，否则宾汉姆体流变模型就失去真实意义。 另外，在宾汉姆体应用中，还存在一个有影响的限制因素，这就是在流速很高 的情况下，当流态从层流变到紊流时，则需要应用别的流体规律。 2 2 3 牛顿体与宾汉姆体的区别 只有粘性的牛顿体与既有粘性又有塑性的宾汉姆体区别可从图2 4 看出， 其差别在于后者比前者多一个粘聚力( c ) 。另外，在f 半关系曲线上，后者 d x 表明为非线性且不可逆，前者则表现为线性可回复。需要指出的是，许多学者， 尤其是灌浆工程师为实用方便，往往将宾汉姆体的r 一半非线性曲线，简化为 a x 线性的直线来考虑。 d r 凼 f i g u r e2 - 4t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nn e w t o nf l u i da n db i n g h a mf l u i d 图2 _ 4 牛顿体与宾汉姆体区别 i 牛顿体( 仅有粘度) i i 一宾汉姆体( 既有粘度又有塑性) 宾汉姆体比牛顿体具有较高的流动阻力，这使它要在更大的压力下才能扩 展到较远的距离，而且很难进入细小缝隙，这是它不利的一面，但在大裂隙中 需要限制浆液的扩散距离时，使用这种浆液较为有效，它能降低浆液中的粗颗 粒( 例如砂子) 下沉和分离的速度，并能保持浆液在较长时间内具有良好的可 灌性。水灰l t d , 于2 的水泥浆，具有宾汉姆体的性质。 西华火学硕士学位论文 2 3 浆液在裂隙中的流动规律 灌浆工程中所用的浆液是由主剂( 原材料) 、溶剂( 水或其它溶剂) 及各种外加 剂混合而成，通常所提的灌浆材料，是指浆液中所用的主剂。灌浆材料按其形 态可分为粒状浆材和化学浆材两大类型。 除了以上两种浆材外，在灌浆中还通常使用一种由水泥浆或粘土浆与水玻 璃溶液混合而成的悬溶型浆液。该种浆液具有材料来源广、价格低、渗入性好、 结石率及强度高等优点如果配制得当，它既可以填堵大的、有水流通过的裂隙 和溶洞，也可充填小的裂隙。该种浆材在煤矿井巷建设中应用广泛。灌浆采用 何种材料，主要是根据被灌地层的状况、灌浆目的，本着降低造价，易于取材 和不引起不良后果等原则决定的。 目前，我国的水利水电工程灌浆，几乎都使用了不同水灰比的水泥浆液来 进行灌浆，其用途比较广泛。这主要因为，在大多数条件下它都能满足工程灌 浆的需要，而且具有来源广、价格便宜、施工简单、无污染之害等优点。所以 我们有必要分析一下水泥浆液在裂隙中的流动规律，只有在了解其流动规律的 基础上，我们才能对浆液的扩散半径和灌浆的作用机理进行分析。 一般来讲，普通压水试验或灌浆中，使用的压力相对较大，在钻孔附近的 流场里，流体的运动主要与压力有关，重力可以认为是一个相对小的量，从而 对于面状的岩体裂隙，即使出现弯曲、相交等，我们可以近似的从渗径上讲， 流体是在一个水平的裂隙面上运动。 多年来，国内外学者为了适应灌浆工程的需要，针对影响浆液或水体在岩 体中运动的主要因素，依据等宽度( 开度) 光滑面且垂直于钻孔的单个裂隙为模 型，在平面径向层流范围内，推导出牛顿流体运动的理论方程。并由此得到了 注浆参数的大致范围，同时探讨了各因素的关系，提出了若干施工控制技术。 水泥浆体按影响灌入能力的沉降稳定性区分，可以分为灌入能力受沉降稳定性 控制的大水灰比浆液和基本不受沉降稳定性控制的小水灰比浆液。下面分别就 不同水灰比的浆液在岩体裂隙中的运动进行讨论。 2 3 1 小水灰比较为稳定的悬浮浆体在裂隙中的流动规律 小水灰比水泥浆或磨细水泥浆、粘土浆、粘土水泥浆几乎为不分选、不析 水的稳定悬浮浆液，都呈现出宾汉姆体的流变特性。当浆体可进入岩体裂隙时， 1 4 西华大学硕上学位论文 上述浆体在一定的流动范围内，完全有可能保持稳定的悬浮浆体状态流动。由 于浆体低的流动性，流体的惯性作用是较小的，往往存在着低雷诺数的层流运 动。 假设浆体在垂直于钻孔作平行于裂缝面的平面径向流动( 图2 3 ) 。不计惯 性和重力的作用，从流域取出一微元体如图( 2 5 ) ，沿径向列平衡方程【1 2 】：t praoaz一(p+字坝+，炒缸+2(p+拿_ar7aoar d r 2 ，( 2 1 6 ) z ， 1f 、 + ( f + 竺二a z ) r a 0 t o 一t r a 0 t v - = 0 化简并略去高阶微量得： 字一宰：0 ( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 表明流域中的任一点处，浆液沿z 方向的剪力坡降，等于其径 向压力坡降。浆液在张开的平直缝中的速度分布情况与圆管中的流体速度分布 类似，见图2 - 6 所示。由图2 - 6 中可以看出，宾汉流体在平面裂缝中的流速剖 面存在着等速运动的核心( 硬核) ，它的高度( 或称塞流高度) g = 2 c r j ，这个等 速流核心的高度e 的大小，与凝聚力万c 值成正比，与容重，和压力梯度成反 比。实验表明，如果圆管内壁粗糙，p 值有可能等于管子半径，此时流动立即 停止，e 值也立即等于零。 将式子( 2 1 7 ) 沿z 向积分，对于宾汉流体：z = i h ，f = 0 ；z = 冬一p ，f = c ； 所以有： p + 翌垒 。d r2 f1 ：二斗j j 二一一二一一一 f i g u r e2 - 5 s k e t c hm a po f m i c r o e l e m e n t 图2 - 5 微元体示意图 1 5 争弘 ， 一 一 一 一 八、。茸伊丁 ：一一一 、，l、1hyp，、，几斗f 西华大学硕士学位论文 r y v yv 、7 ， 一 = 。v z ： ，牛顿体宾汉体 f i g u r e2 - 6v e l o c i t yp r o f i l es c h e m a t i cd i a g r a mo fv i s c o u sb o d ya n dp l a s t o m e ri