(葫蘆島平山供水有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

巖溶地區(qū)水利工程大壩巖的一個(gè)突出問題就是巖溶滲漏，嚴(yán)重削弱大壩地基的穩(wěn)定性、強(qiáng)度。帷幕注漿技術(shù)在水利工程防滲領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。文獻(xiàn)[1]針對壩基注漿困難的特點(diǎn)，提出“孔口及壩體封閉、基巖內(nèi)自上而下分段孔內(nèi)循環(huán)注漿”的注漿工藝，實(shí)踐證明該注漿工藝效果較好。文獻(xiàn)[2]通過理論分析結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，對壩基注漿帷幕的滲透性、深度、厚度的合理性進(jìn)行了研究，建立了壩基帷幕的相對水頭值經(jīng)驗(yàn)公式。更多還原

1 工程概況

遼寧觀音閣水庫庫區(qū)面積62 km2，最大庫容量21.7億 m3。該水庫具有供水、發(fā)電和防洪的綜合效益，屬于大Ⅰ型水利樞紐工程，水庫每年為當(dāng)?shù)毓I(yè)供水8億 m3，農(nóng)業(yè)供水4億 m3。其水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩址巖溶發(fā)育，為了避免壩基被沖刷發(fā)生管涌事故，采用防滲帷幕技術(shù)對壩基進(jìn)行抗?jié)B加固。

圖1 流體變化曲線

2 帷幕注漿技術(shù)

注漿帷幕是在大壩上游平行于壩軸線的壩基內(nèi)，將漿液灌入壩基巖層裂隙、孔隙中，形成一道具有承載強(qiáng)度高、抗變形能力好、抗?jié)B性較好的帷幕形狀防滲條帶。帷幕注漿技術(shù)通過封填孔洞，堵截流水，使得壩基巖溶地區(qū)的滲透性、滲流量、孔隙壓力降低，抗?jié)B能力顯著提高[3]。降低了基礎(chǔ)揚(yáng)壓力，使大壩斷面減小，降低成本，避免壩基被沖刷、管涌，保證壩基穩(wěn)定、安全。

2.1 漿液概念

為了使得注漿能在地層裂隙中易于擴(kuò)散，選擇流動(dòng)性高、壓損小的漿液，實(shí)現(xiàn)小壓力大擴(kuò)散的目的。按流漿液流變性將其為牛頓流體、賓漢流體、冪律流體三大類，冪律流體、賓漢流體、水灰比、牛頓流體的水灰比分別為0.5～0.7、0.8～1.0、2.0～10[3]。牛頓體流體僅有粘滯性，粘滯性即內(nèi)摩擦力，賓漢姆體流體不但具有粘性還具有塑性，其流變曲線如圖1。

圖2 壓密示意圖

2.2 注漿理論

注漿法借助氣壓、液壓、電化學(xué)原理，通過把漿液注入天然、人工鉆孔、裂縫孔隙中經(jīng)過漿液的凝固、固化，形成強(qiáng)化地層區(qū)域[4]。實(shí)現(xiàn)對被灌地層的加固、防滲處理，漿液填充到壩基地層的裂隙中逐漸凝固、硬化形成強(qiáng)化地層區(qū)域。在地基處理中，注漿工藝所依據(jù)的理論主要可歸納為以下四類。

2.2.1 滲透注漿理論

在注漿壓力作用下，漿液克服各種阻力滲入孔隙和裂隙，壓力越大，吸漿量及漿液擴(kuò)散距離就越大。這種理論假定在注漿過程中地層結(jié)構(gòu)不受擾動(dòng)和破壞，所用的注漿壓力相對較小。適用于中砂以上的砂土和有裂隙巖石。代表性的滲透注漿理論：球形擴(kuò)散理論、柱形擴(kuò)散理論、袖套管法理論。

2.2.2 壓密注漿理論

濃漿通過鉆孔被加壓灌注到土層內(nèi)，隨著濃漿灌入量增多，土體密實(shí)度逐步增大，壓漿點(diǎn)周圍空間會(huì)呈現(xiàn)燈泡狀，而且受漿液擠壓作用而才向四周產(chǎn)生抬力，從而引起地層局部隆起，許多工程種用這一原理糾正了地面建筑物不均勻沉降，被稱為土內(nèi)壓密[5]。表面壓密：在建筑物底板下土層表面壓漿，使土體自上而下的固結(jié)沉降，圖2 為壓密示意圖。

2.2.3 劈裂注漿理論

在注漿壓力作用下，漿液克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，對原土層或巖體結(jié)構(gòu)造成擾動(dòng)和破壞，地層中產(chǎn)生裂縫和孔隙，或者原有裂縫和孔隙尺寸擴(kuò)大，使其整體性受損，這樣會(huì)大大提高低滲透性地層的灌漿度及灌漿輻射范圍，但要求注漿壓力必須達(dá)到某一數(shù)值。

2.2.4 電動(dòng)化學(xué)注漿

將金屬電極按照一定位置分布插入粘土層，連好電線后接通直流電，其目的是在土層中引起電滲、離子交換等現(xiàn)象，這樣就會(huì)使通電影響區(qū)域內(nèi)土層中含水量降低，從而在土內(nèi)形成滲漿通道，若在通電時(shí)向土中灌注硅酸鹽漿液，就能在通道上形成硅膠，并與土顆粒膠結(jié)成具有一定力學(xué)強(qiáng)度的加固體[5]。

2.3 注漿參數(shù)的選擇

2.3.1 注漿壓力

注漿壓力關(guān)乎帷幕防滲效果及其耐久性，注漿壓力可以分解為孔口位置壓力表顯示的壓力、壓力表至注漿段間漿柱的壓力、壓力表處至注漿段間管路摩擦壓力損失。注漿壓力的確定與施工壩基處地質(zhì)狀況有關(guān)，可以結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式與注漿試驗(yàn)確定注漿壓力。注漿壓力的上限不能破壞巖體結(jié)構(gòu)的完整性[3]。

[pe]=c(0.75T+Khλ)

式中：pe為容許注漿壓力；c為與注漿期次有關(guān)的系數(shù)；T為地基覆蓋層厚度(m)；K為與注漿方式有關(guān)的系數(shù)；λ為與地層性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；h為地面至注漿段的深度(m)；

2.3.2 漿液擴(kuò)散半徑的計(jì)算

漿液擴(kuò)散半徑直接影響了整個(gè)項(xiàng)目的工程量及投資成本，漿液在巖體裂隙中的擴(kuò)散狀況多呈樹枝狀，漿液在巖體中呈圓形擴(kuò)散，為了方便計(jì)算漿液擴(kuò)散半徑具體數(shù)值，可以將巖層假設(shè)為均質(zhì)狀。

式中：r1為漿液擴(kuò)散半徑；k為砂土滲透系數(shù)；h1為注漿壓力水頭；r0為注漿管半徑；β為漿液粘度對水的粘度比；n為砂土孔隙率

3 FLAC3D有限元分析法

FALC3D軟件具有十分強(qiáng)大的內(nèi)置計(jì)算功能能夠?qū)r土變形問題進(jìn)行出色的模擬，可以將巖體內(nèi)部的破壞機(jī)理可視化數(shù)據(jù)化[6]。實(shí)際施工時(shí)巖土體網(wǎng)格劃分較為復(fù)雜，影響到模擬計(jì)算的運(yùn)行速度，在保證模擬真實(shí)性基礎(chǔ)上可以合理簡化巖土體。實(shí)際建立模型時(shí)不考慮地層水、注漿自重，注漿時(shí)間的影響。

3.1 原理分析

有限元FLAC3D軟件內(nèi)置的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬圍巖應(yīng)力和位移變化。

上式中σ1，σ3依次代表圍巖所受的MAX和MIN主應(yīng)力；C，φ依次代表為圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角[4]。若fs=0時(shí)，圍巖內(nèi)部剪切破壞；若ft=0時(shí)，圍巖內(nèi)部拉伸破壞。

水泥漿液的流變性、漿液粘度隨著時(shí)間變化不同，前者不變，后者變化。漿液凝固前變化規(guī)律符合以下公式。

η(t)=ηp0ekt

式中：ηp0、k表示漿液系數(shù)，t表示時(shí)間

3.2 模型建立

模型高度×模型長寬=12m× 5m，由地質(zhì)勘察報(bào)告可知，施工地層內(nèi)發(fā)育有巖溶洞，巖溶洞處于基巖處，至鉆孔底部均為灰?guī)r，表1為其參數(shù)。溶洞設(shè)置在模型中57.5、60.5 m兩處，溶洞均高1.0 m，密集處溶洞平均間隔大約2～3 m[3]。模型立體及其剖面如圖3(a)、(b)所示。模型底面、四周位移量為0，注漿壓力設(shè)置為1.0 MPa，漿液水灰比設(shè)定為0.5。

表1 模擬參數(shù)的選擇

其中γ為巖石干密度，K為滲透系數(shù)，n為孔隙率，C為內(nèi)聚力，μ為泊松比，E為彈性模量，f為內(nèi)摩擦系數(shù)。

4 注漿效果數(shù)值模擬分析

4.1 注漿壓力分析

巖層下54～64 m為第1段注漿段長度，四周及底部設(shè)定x、y、z三軸方向上初始位移都是0，模擬孔隙度設(shè)定為6×10-3cm/s，注漿壓力值設(shè)定為1.0 MPa。下圖4為60 s、300 s、900 s、1 800 s時(shí)孔隙壓力。

圖4可知，注漿耗漿量因?yàn)榇嬖谌芏吹脑?，溶洞周圍注漿范圍明顯擴(kuò)大，整體耗漿量也提高。隨著灌注時(shí)間延長鉆孔內(nèi)漿液的擴(kuò)散半徑呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢。

(a)立體模型圖 (b)剖面模型圖

圖4 60 s、300 s、900 s、1 800 s孔隙壓力分布

注漿壓力的選擇關(guān)乎注漿是否能取得良好效果，為了研究注漿壓力，在水灰比(W/C)設(shè)置為0.5時(shí)設(shè)定注漿壓力分別為0.8 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa，圖5為注漿壓力0.8 MPa時(shí)60 s、300 s、900 s、1 800 s時(shí)孔隙壓力圖。

圖5 60 s、300 s、900 s、1 800 s孔隙壓力分布

隨著注漿時(shí)間的延長，漿液擴(kuò)散范圍依舊呈現(xiàn)顯著的增大趨勢，當(dāng)水灰比設(shè)定為 0.5時(shí)，做出隨注漿時(shí)間延長漿液擴(kuò)散半徑的變化圖，可知水灰比為 0.5 時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)注漿壓力的提高與漿液擴(kuò)散的范圍成正比例關(guān)系。圖6研究了統(tǒng)計(jì)注漿壓力為0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa時(shí)分別對擴(kuò)散半徑的影響，可知注漿壓力在0.8～1 MPa區(qū)間上提高與注漿最大擴(kuò)散半徑的擴(kuò)大成正比例關(guān)系，注漿壓力大于1 MPa ，注漿最大擴(kuò)散半徑增大的速度變小，可以認(rèn)為注漿壓力在0.8～1 MPa的范圍內(nèi)為注漿工況最優(yōu)值。

圖6 不同注漿壓力下擴(kuò)散半徑

4.2 水灰比對于注漿效果的影響

在固定注漿壓力保持不變時(shí)研究改變水灰比對漿液擴(kuò)散半徑、耗漿量的影響十分有必要，由圖7可知當(dāng)注漿壓力1.0 MPa時(shí)，水灰比為1:1的擴(kuò)散速率、擴(kuò)散半徑要明顯大于水灰比為0.5:1的指標(biāo)，前者的最大擴(kuò)散半徑比后者提高約22.5%。水灰比為1:1的最終耗漿量要明顯大于水灰比為0.5:1的指標(biāo)，前者的最終耗漿量比后者降低約66.5%。表明水灰比大的漿液擴(kuò)散半徑更大，耗漿量更低。

圖7 不同水灰比對于注漿效果的影響

5 結(jié)語

(1)隨注漿時(shí)間延長，漿液擴(kuò)散范圍顯著增大，在一定時(shí)間內(nèi)注漿壓力的提高與漿液擴(kuò)散的范圍成正比例關(guān)系。在0.8～1 MPa的注漿壓力范圍內(nèi)為注漿工況最優(yōu)值。

(2)當(dāng)注漿壓力1.0 MPa時(shí)，水灰比為1:1的最大擴(kuò)散半徑比水灰比0.5:1提高了約22.5%，最終耗漿量比后者降低約66.5%，表明水灰比大的漿液擴(kuò)散半徑更大，耗漿量更低。