金口河斷層注漿擴散數(shù)值模擬研究

鞏貴彥，林金洪，周會信，張俊林，郭朋瑜，王磊

1.華東勘測設(shè)計院(福建)有限公司，福州 350003；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

沙坪一級水電站位于四川省樂山市金口河區(qū)境內(nèi)，屬大渡河干流中游河段。水庫正常蓄水位577 m，死水位574 m，水電站裝機容量360 MW。擋水建筑物壩型為混凝土閘壩，壩頂高程581 m，最大壩高63 m。順河發(fā)育的區(qū)域性斷裂——金口河斷層在壩址左岸出露，在壩前、后水頭差作用下，極易在金口河斷層及其影響帶中形成集中滲漏的徑流帶，從而影響電站正常運行。目前，針對繞壩滲流問題，主要采用帷幕注漿以減少滲漏量[1-2]。注漿屬于隱蔽工程，其設(shè)計參數(shù)具有不確定性，在進行注漿加固時，許多重要參數(shù)難以確定[3]。因此，對注漿進行數(shù)值模擬研究，對選擇合理有效的注漿設(shè)計參數(shù)具有重要意義。在注漿的數(shù)值模擬方面，王強等[4]采用中心有限體積法開展注漿壓力、漿液黏度對擴散半徑影響規(guī)律的研究。周正軍等[5]建立了注漿擴散數(shù)值分析控制方程，驗證了注漿擴散數(shù)值模擬分析方法的可行性和有效性。譚志文等[6]以中粗砂地層為研究對象，采用COMSOL研究不同注漿壓力、漿液粘度、介質(zhì)孔隙率等參數(shù)對注漿的影響規(guī)律,優(yōu)化了注漿設(shè)計參數(shù)。韓磊等[7]建立了漿液驅(qū)水的非穩(wěn)定滲流模型，采用FLAC軟件模擬帷幕注漿的漿液擴散情況。劉天君等[8]利用FLAC3D軟件確定了廟陽大壩防滲帷幕的最優(yōu)注漿壓力。

本文以沙坪一級壩址左岸金口河斷層為研究對象，采用有限差分數(shù)值模擬軟件對斷層各滲流帶進行注漿擴散數(shù)值模擬，探討了注漿參數(shù)和巖土體性質(zhì)對斷層注漿效果的影響規(guī)律。

1 研究背景

1.1 壩址區(qū)概況

壩址區(qū)兩岸山體雄厚，邊坡陡峻，漫灘、階地發(fā)育。第四系覆蓋層下，基巖為下元古界峨邊群第一段蝕變玄武巖、鈣泥質(zhì)石英粉砂巖與含綠泥石板巖互層、震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖及澄江期輝綠巖。金口河斷層寬21～36 m，壩區(qū)出露高程約600 m，平行于河流延伸，性狀差，寬度寬，透水性強，位于金口河壩址區(qū)左岸較低高程處，存在庫水沿斷層向下游河床集中滲漏問題。壩址區(qū)斷層分布見圖1。

圖1 壩址區(qū)金口河斷層分布示意圖

1.2 金口河斷層滲流帶

金口河斷層分帶特征明顯，符合破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶的分布特征[9]。鉆孔揭露斷層寬度為25～39 m，上盤影響帶寬度為4～13 m，主斷層寬10～22 m，下盤影響帶寬6～16 m。根據(jù)現(xiàn)場壓水試驗結(jié)果和斷層結(jié)構(gòu)，金口河斷層可分為4個滲流帶，分別是上影響帶、下影響帶、碎裂巖帶、碎粉巖帶。

上、下影響帶即斷層上盤影響帶，為受斷層擾動的白云巖巖體，以弱風化微晶白云巖為主，呈碎裂、碎塊狀，裂隙面強風化，局部鐵錳渲染嚴重，發(fā)育大量導(dǎo)引裂縫。碎裂巖帶即主斷層帶中以灰白-淡黃色碎裂巖為主要成分的滲流帶，包含白云巖透鏡體，巖體破碎，巖芯多呈短柱狀，部分呈角礫狀。碎粉巖帶即主斷層帶中以碎粉巖為主要成分的滲流帶，多為全風化的砂狀物，呈弱膠結(jié)狀態(tài)，包含少量黃色斷層泥。金口河斷層滲流參數(shù)見表1。

表1 金口河斷層滲流參數(shù)

2 注漿擴散數(shù)值模擬

2.1 注漿模型

利用FLAC3D數(shù)值計算軟件，構(gòu)建單孔注漿的數(shù)值計算模型。由于物理意義上的巖土體比較復(fù)雜，而網(wǎng)格劃分的復(fù)雜程度會直接影響到模擬計算的速度，因此本文在構(gòu)建基于FLAC3D軟件的數(shù)值計算模型時，采用等效連續(xù)介質(zhì)模型將巖體視為多孔介質(zhì)，就是將巖石裂隙透水性平均到巖石中去，流體在孔隙介質(zhì)中的流動依據(jù)Darcy定律，這種等效是滲流量的等效，滲透張量是裂隙巖體作為等效連續(xù)介質(zhì)的重要參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)實測資料確定，將裂隙巖體的等效滲透系數(shù)簡化為各向同性滲透系數(shù)，將巖體的裂隙發(fā)育程度簡化為用巖體的孔隙率來表示。

針對斷層中的各滲流帶進行單獨研究，故建立單一介質(zhì)圓柱體模型(圖2a)，模型高4 m，直徑4 m，模型中間設(shè)置直徑60 mm、長2 m的鋼花注漿管[10]，注漿段長度1.5 m，共計16 800個單元，18 491個節(jié)點。埋深1.2 m處，從注漿管外壁向外設(shè)置4個監(jiān)測點(圖2b)，監(jiān)測注漿過程中注漿管不同距離處的孔隙壓力和漿液流速，同時通過Fish語言監(jiān)測注漿流量隨時間的變化。

圖2 注漿模型

2.2 注漿模擬方法

在原有的FLAC3D滲流分析的基礎(chǔ)上，利用Fish語言編寫代碼，實現(xiàn)注漿壓力控制、注漿流量監(jiān)測、漿液粘度時變性等功能和特性。在以往的注漿數(shù)值模擬中，常忽略漿液的粘度時變特性。研究顯示[11]，水泥漿液的粘度會隨著時間的變化而改變，屬于典型的振凝流體，其剪切應(yīng)力隨時間逐步增加到穩(wěn)定，其變化規(guī)律可以用如下函數(shù)表示：

η(t)=ηp0ekt

(1)

式中，η是水泥漿液粘度，單位mPa·s，ηp0、k是與水泥漿液粘度時變特性有關(guān)的系數(shù)；t為時間，單位s。不同水灰比(W/C)的水泥漿的粘度時變性函數(shù)[12]見表2。

表2 不同水灰比水泥漿液粘度時變性函數(shù)

為在FLAC3D中模擬水泥漿液的粘度時變性，相對密度與粘度不同的兩種液體在相同介質(zhì)中的滲透系數(shù)的關(guān)系可用如下公式表示[8]：

(2)

式中，γ為液體的重度；η為液體粘度，則水泥漿液在巖土介質(zhì)中的滲透系數(shù)隨時間的變化規(guī)律可以由下式表示：

(3)

式中，Kg為水泥漿液在巖土介質(zhì)中的滲透系數(shù)；Kw為水在巖土介質(zhì)中的滲透系數(shù)；γg為水泥漿液的重度；γw為水的重度；ηg為水泥漿的動力粘度；ηw為水的動力粘度；ηp0、k是與水泥漿有關(guān)的系數(shù)；t為時間。經(jīng)過上述計算，水泥漿液的粘度時變特性通過水泥漿液在巖土介質(zhì)中滲透系數(shù)隨時間的逐步衰減來體現(xiàn)。

通過控制單一變量，研究注漿壓力、水泥漿液水灰比對金口河斷層各滲流帶注漿效果的影響，同時在一定范圍內(nèi)調(diào)整各滲流帶的滲流參數(shù)，研究注漿效果對滲流參數(shù)的敏感性。由于漿液的滲透擴散首先表現(xiàn)為孔隙介質(zhì)的填充，因此注漿擴散范圍與注漿介質(zhì)的孔隙飽和度具有對應(yīng)關(guān)系，飽和度反映了漿液填充介質(zhì)孔隙的程度。在注漿過程中，以漿液飽和度達到0.8作為漿液的有效擴散范圍。

3 注漿參數(shù)對漿液擴散的影響

3.1 注漿壓力

一般認為，漿液的擴散能力與允許注漿壓力有密切關(guān)系。采用較高的允許注漿壓力，在保證質(zhì)量和效果的前提下，可減小孔數(shù)，還可改善結(jié)石體的密度、強度和降低滲透性。研究各級注漿壓力下，漿液在斷層各滲流帶中的擴散半徑和耗漿量，可為實際施工時考慮安全與成本問題的情況下，注漿壓力的選擇提供參考。

左岸斷層注漿應(yīng)選用靜壓注漿，設(shè)計注漿壓力為0.5 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa共7級。選用水灰比為1.5的水泥漿液，密度1 364 kg/m3，使用滲透系數(shù)表達的漿液粘度時變性函數(shù)見表3。按注漿壓力分為7組試驗，每組試驗4次，共28次模擬試驗，分別對斷層上、下影響帶、碎裂巖帶、碎粉巖帶進行注漿模擬，并分析每級注漿壓力對斷層各帶注漿效果的影響。

表3 斷層滲流參數(shù)(W/C=1.5)

在不同注漿壓力作用下(W/C=1.5)，斷層上影響帶漿液擴散范圍如圖3(a)所示。對比不同注漿壓力下的漿液擴散情況，注漿壓力對注漿體的形狀影響較小，而對漿液擴散半徑有明顯影響。在不同注漿壓力下漿液沿注漿孔向四周擴散，大體呈柱形，壓力為0.8 MPa和2.5 MPa時，注漿體形狀呈“紡錘形”。在注漿段上下端部，漿液擴散突出，擴大注漿體范圍。

圖3 上影響帶不同條件下漿液擴散圖

圖4為金口河斷層各滲流帶注漿壓力與擴散半徑關(guān)系圖。在各滲流帶中，注漿壓力對擴散半徑的影響均是呈“階梯型”的。在同為巖體的上下影響帶和碎裂巖帶中均存在三級“階梯”，即P < 1.0 MPa、1.0 MPa ≤ P < 2.5 MPa和P ≥ 2.5 MPa。采用水灰比W/C=1.5，注漿壓力小于1.0 MPa時，擴散半徑均小于0.46 m，注漿壓力在1.0 ～2.0 MPa之間增長時，擴散半徑無明顯增大；注漿壓力在2.0 ～2.5 MPa之間增長時，擴散半徑顯著增大；當注漿壓力大于2.5 MPa時，擴散半徑在0.65 m左右趨于平穩(wěn)。故在斷層及其影響帶內(nèi)以“巖體”為物質(zhì)組成的滲流帶中，在進行注漿壓力小于4 MPa的靜壓注漿施工時，水灰比W/C=1.5，可考慮采用壓力水平1.0 ～1.5 MPa和2.5 ～3.0 MPa。在碎粉巖帶中只存在兩級“階梯”，即P < 1.0 MPa和P ≥ 1.5 MPa。采用水灰比W/C=1.5，注漿壓力小于1.0 MPa時，擴散半徑維持在0.07 m左右；注漿壓力在1.0 ～1.5 MPa之間增長時，擴散半徑由0.07 m增大至0.26 m；注漿壓力大于1.5 MPa后，擴散半徑維持在0.26 m。故在斷層內(nèi)以“土體”為物質(zhì)組成的滲流帶中，在進行注漿壓力小于4 MPa的靜壓注漿施工時，水灰比W/C=1.5，可考慮采用壓力水平1.5 MPa。

圖4 注漿壓力對擴散半徑的影響

圖5為斷層各滲流帶注漿壓力與注漿量關(guān)系圖。由圖可見注漿壓力與注漿量呈線性正相關(guān)，注漿壓力對各滲流帶中注漿量的影響基本一致，無顯著差別。同等注漿壓力下所需注漿量大小從高到低為碎裂巖帶、碎粉巖帶、上影響帶、下影響帶。

圖5 注漿壓力對注漿量的影響

3.2 漿液水灰比

在以大壩防滲為目的的帷幕注漿作業(yè)時，一般采用粒狀漿材。在注漿施工過程中，水泥漿液的粘度隨時間呈指數(shù)增長，表現(xiàn)為水泥漿液在巖土介質(zhì)中的流動呈指數(shù)減小，直至流動性幾乎消失。以往的數(shù)值模擬中一般不考慮水泥漿液的粘度時變特性，難以真實地模擬最終的漿液擴散范圍。不同水灰比的水泥漿液粘度時變特性差異很大，采用0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0共7種不同的水灰比進行注漿擴散模擬，設(shè)定注漿壓力為1.5 MPa，分別對斷層帶內(nèi)上下影響帶、碎裂巖帶和碎粉巖帶進行注漿模擬，研究水灰比對注漿效果的影響。

在注漿壓力1.5 MPa作用下，不同水灰比W/C=0.5、W/C=0.8、W/C=1.0、W/C=1.2、W/C=1.5、W/C=1.8、W/C=2.0條件下F10斷層上影響帶漿液擴散見圖3(b)。對比不同水灰比下的漿液擴散情況， 水灰比對注漿體的形狀影響較小，而對漿液擴散半徑有明顯影響。在不同水灰比條件下漿液沿注漿孔向四周擴散，呈柱形，水灰比為0.8和2.5時，注漿體形狀呈“紡錘形”。

圖6為斷層各滲流帶水灰比與擴散半徑關(guān)系圖。在各滲流帶中，水灰比對擴散半徑的影響均是分階段的。在同為巖體的上下影響帶和碎裂巖帶中，水灰比對漿液擴散半徑的影響較為一致，均是水灰比小于1.0時，擴散半徑隨水灰比的增大而增大；水灰比大于1.0時，擴散半徑隨水灰比的變化而基本保持不變。在同樣的水灰比和注漿壓力條件下，漿液在上下影響帶和碎裂巖帶中的擴散半徑相近，水灰比大于1.0而小于2.0時，擴散半徑在0.5 m左右。故在斷層及其影響帶內(nèi)以“巖體”為物質(zhì)組成的滲流帶中，在進行注漿壓力1.5 MPa的靜壓注漿施工時，采用的水灰比W/C>1.0為宜。在碎粉巖帶中，水灰比小于1.2時，擴散半徑隨水灰比的增大而增大，擴散半徑小于0.24 m；水灰比大于1.2時，擴散半徑隨水灰比的變化而基本保持不變，維持在0.27 m左右。故在F10斷層內(nèi)以“土體” 為物質(zhì)組成的滲流帶中，在進行注漿壓力1.5 MPa的靜壓注漿施工時，采用的水灰比W/C>1.2為宜。

圖6 水灰比對擴散半徑的影響

圖7為斷層各滲流帶水灰比與注漿量關(guān)系圖。由圖可見水灰比對注漿量的影響是分段的，水灰比對各滲流帶中注漿量的影響趨勢基本一致，無顯著差別。同等水灰比下所需注漿量大小從高到低為碎裂巖帶、碎粉巖帶、上影響帶、下影響帶。

圖7 水灰比對注漿量的影響

4 注漿效果對巖土體性質(zhì)的敏感性

4.1 滲透系數(shù)

為研究漿液擴散對巖土性質(zhì)的敏感性，設(shè)定水灰比1.5，注漿壓力1.5 MPa，改變各滲流帶的滲透系數(shù)進行模擬。在水灰比為1.5，注漿壓力1.5 MPa作用下，不同滲透系數(shù)條件下金口河斷層上影響帶漿液擴散見圖3(c)。對比不同滲透系數(shù)下的漿液擴散情況，滲透系數(shù)對注漿體的形狀影響較小，而對漿液擴散半徑有明顯影響，在不同滲透系數(shù)條件下漿液沿注漿孔呈柱形向四周擴散。

圖8為斷層各滲流帶滲透系數(shù)與擴散半徑關(guān)系圖。在各滲流帶中，滲透系數(shù)與擴散半徑均為正相關(guān)。在同為斷層影響帶的上下影響帶中，漿液擴散半徑對滲透系數(shù)的敏感性較為一致，其中上下影響帶中滲透系數(shù)與擴散半徑存在明顯的拐點，即存在一臨界滲透系數(shù)使上下影響帶擴散半徑對滲透系數(shù)的敏感性發(fā)生變化。當K<5×10-5cm/s時，擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性較強，K>5×10-5cm/s時，擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性較弱。在碎粉巖帶中，也存在這樣一個拐點，當K<3.863×10-5cm/s時，擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性較強，K>3.863×10-5cm/s時，擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性較弱。

圖8 擴散半徑對滲透系數(shù)的敏感性

圖9為斷層各滲流帶滲透系數(shù)與注漿量關(guān)系圖。由圖可見滲透系數(shù)與注漿量是正相關(guān)的，滲透系數(shù)對各滲流帶中注漿量的影響趨勢基本一致，無顯著差別。同等滲透系數(shù)下所需注漿量大小從高到低為碎粉巖帶、碎裂巖帶、上影響帶、下影響帶。碎粉巖帶中注漿量對滲透系數(shù)的敏感性最強。

圖9 注漿量對滲透系數(shù)的敏感性

4.2 孔隙率

為研究注漿效果對斷層各滲流帶孔隙率的敏感性，設(shè)定水灰比1.5，注漿壓力1.5 MPa，改變各滲流帶的孔隙率進行注漿模擬計算。在水灰比為1.5，注漿壓力1.5 MPa作用下，不同孔隙率條件下金口河斷層上影響帶漿液擴散見圖3(d)。對比不同孔隙率下的漿液擴散情況，孔隙率對注漿體的形狀影響較小，而對漿液擴散半徑有明顯影響，在不同孔隙率條件下漿液沿注漿孔呈柱形向四周擴散。

圖10為金口河斷層各滲流帶孔隙率與擴散半徑關(guān)系圖。在各滲流帶中，孔隙率與擴散半徑均為負相關(guān)。在上影響帶和碎裂巖帶中，漿液擴散半徑對孔隙率的敏感性較為一致，其中上下影響帶和碎裂巖帶中孔隙率與擴散半徑關(guān)系曲線存在明顯的拐點，即存在臨界孔隙率使上下影響帶和碎裂巖帶擴散半徑對孔隙率的敏感性發(fā)生變化。在上下影響帶中，當孔隙率小于0.08時，擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性較強；孔隙率大于0.08時，擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性較弱。在碎裂巖帶中，當孔隙率小于0.10時，擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性較強；孔隙率大于0.10時，擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性較弱。在碎粉巖帶中，擴散半徑對滲透系數(shù)的敏感性基本無變化，且敏感性基本弱于其他3帶。

圖10 擴散半徑對孔隙率的敏感性

圖11為斷層各滲流帶孔隙率與注漿量關(guān)系圖。由圖可見孔隙率與注漿量是正相關(guān)的，在上下影響帶和碎裂巖帶中孔隙率對注漿量的影響趨勢基本一致，無顯著差別。同等孔隙率下所需注漿量大小從高到低為碎裂巖帶、上影響帶、下影響帶。碎粉巖帶中注漿量對孔隙率的敏感性最弱。

圖11 注漿量對孔隙率的敏感性

5 結(jié)語

本文在現(xiàn)場調(diào)查和壓水試驗的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬研究注漿參數(shù)對金口河斷層各滲流帶注漿效果的影響及注漿效果對巖土體性質(zhì)的敏感性。通過以上研究，得出以下主要基本結(jié)論：

(1) 注漿壓力對擴散半徑的影響均是呈“階梯型”，且注漿壓力越大，擴散半徑越大。注漿壓力與注漿量呈線性正相關(guān)，注漿壓力對各滲流帶中注漿量的影響基本一致。在金口河斷層碎裂巖帶和上下影響帶內(nèi)，可考慮注漿壓力水平1.0 ～1.5 MPa和2.5 ～3.0 MPa。在碎粉巖中，可考慮注漿壓力水平1.5 MPa。

(2) 水灰比對注漿有效擴散半徑的影響是有限的。水灰比小于1.0 ～1.2時，漿液的有效擴散半徑隨水灰比的增大而增大，但水灰比大于1.0 ～1.2時，水灰比不會對有效擴散半徑產(chǎn)生明顯影響。在金口河斷層碎裂巖帶和上下影響帶內(nèi)，水灰比W/C>1.0為宜。在碎粉巖中，水灰比W/C>1.2為宜。

(3) 滲透系數(shù)與有效擴散半徑均呈正相關(guān)。在碎粉巖帶中擴散半徑對滲透系數(shù)敏感性最弱。滲透系數(shù)與注漿量是呈正相關(guān)的，滲透系數(shù)對各滲流帶中注漿量的影響趨勢基本一致。在碎粉巖帶中注漿量對滲透系數(shù)敏感性最強。

(4) 孔隙率與擴散半徑均呈負相關(guān)。存在臨界孔隙率使上下影響帶和碎裂巖帶擴散半徑對孔隙率的敏感性發(fā)生變化，在上、下影響帶中臨界孔隙率為0.08，在碎裂巖帶中臨界孔隙率為0.10?？紫堵逝c注漿量是呈正相關(guān)的。