三维正交裂隙网络动水注浆耦合试验研究

(桓仁县水务移民服务中心，辽宁 桓仁 117200)

在水利工程建设领域，地下涌水一直是地下洞室工程建设需要面临的重要问题。显然，在地下岩体中存在的交切式裂缝，是突水涌沙事故的主要症结所在[1]。如果工程区域存在承压水的情况，问题会更加复杂和突出。鉴于工程地质问题的复杂性、隐蔽性和突发性，富水地层地下洞室建设中的涌水、涌沙问题一直是工程建设的极大的困扰。因此，为了保证地下洞室建设的安全，必须要对高压地下水利用工程技术措施进行控制和疏导。注浆防渗技术是治理上述地质灾害的重要手段，被广泛应用于地下设施建设领域，具有广阔的发展空间[2]。目前，注浆加固止水技术研究局限于单一裂隙或均匀分布的裂隙方面的模拟实验[3-4]，地下注浆工程中的渗流场、应力场与温度场之间的耦合作用可以导致应力改变、裂隙变化和渗流性质和状态的变化。本文研究将传统的单裂隙岩体模拟扩展为三维正交裂隙网络，在考虑温度场和应力场的条件下，进行三维裂隙网络的动水注浆试验，以期为相关工程建设提供必要的理论支持。

1 试验装置

图1 试验模型结构

试验装置主要由定水头动水装置、浆液泵送装置、三维裂隙岩体模拟装置、数据和图像采集系统、称重装置等设备组成[5]。其中，三维裂隙岩体模拟装置以李鹏等设计的透明土试验装置为基础进行改进，设计出本次试验需要的小型试验平台，并在上面进行注浆模型的搭建[6]。在实验平台上，按照水平和垂直间距均为25.50mm布设螺纹孔。利用冲孔角钢制作模型的脚架，并与试验平台连接。利用气缸施加轴向荷载，以模拟施工现场的地应力条件。为方便温度条件的施加，试验在恒温恒湿房间进行，整个试验模型的外观设计见图1。采用厚度为8mm的亚克力材料制作的棱长20cm的立方体容器作为裂隙岩体模拟装置，三维正交网络裂隙岩体采用64块棱长50mm的人造水晶立方体块，各块之间用垫片隔开，以保留宽度为1mm的缝隙。试验采用体积比为2∶1的脲醛树脂与草酸混合液作为注浆浆液，通过空气压缩机以0.02MPa的注浆压力注入模型[7]。

2 试验方案设计

三维正交裂隙网络动水注浆耦合试验，主要目的是研究不同温度下化学浆液在动水中的扩散情况与封堵效果。结合相关研究成果和施工经验，试验中选取0.50cm/s、0.60cm/s、0.70cm/s三种不同的动水流速；选择10℃、20℃、35℃和50℃四种不同的温度展开试验[8]。试验的主要步骤如下：按照试验要求模型容器中放置好石英块体，将容器固定在试验平台上，并固定好相机位置；在模型中模拟裂隙上方放置一块亚克力板，并做好支撑，保证注浆试验期间裂隙面不会鼓起，布置好注浆管路，排净管中的空气，打开图象和数据采集系统，开始注浆试验，在完成一组试验后清理试验设备，并准备进行下一组试验。

3 试验结果分析

3.1 堵水率计算分析

根据试验设计，共需要进行三维正交裂隙动水注浆扩散试验12组，本次试验考虑的为等效堵水率，也就是注入浆液量相同条件下的堵水情况，因此对相关文献中的堵水率计算公式进行修正，结果如式(1)所示。并根据等效堵水率的大小将注浆堵水效果划分为良好、一般、合格、较差四个等级。其中等效堵水率大于75为良好；50～75之间为较好；25～50之间为一般；25以下为较差。

(1)

式中 SEr——堵水率；

SE——等效堵水率；

SEmax——同流速下试验最大堵水率。

根据式(1)计算不同流速和温度工况下的堵水率(见表1)。从表中结果可以看出，在浆液的温度和注入体积相同的条件下，动水流速较低时可以获得较好的堵水效果，尤其以35℃时堵水效果最好，显示出温度对堵水效果的重要影响。但是，随着动水流速的增加，温度较低时堵水效果较好，而高温情况下的堵水效果并不理想。究其原因，主要是高温会导致浆液快速在注浆口部位胶凝，导致后续浆液无法继续压入，进而影响到堵水效果。

表1 不同渗流和温度工况下动水注浆堵水效果

3.2 浆液扩散距离特征分析

在试验过程中利用在正面(相机1)和底部(相机2)设置的两部相机进行拍摄，以研究浆液的扩散距离特征(动水流速为0.60cm/s条件下不同温度浆液扩散距离特征见图2～图5)。其中，相机1拍摄的结果中，顺水流方向和逆水流方向分别为x+和x-；垂直水流方向向上和向下分别为y+和y-；相机2拍摄时顺水流方向和逆水流方向分别为x+和x-；垂直水流方向靠近和远离正面方向分别为y+和y-。图2～图5中，所有扩散距离试验曲线上均用箭头标出了扩散距离变化的几个转折点，将扩散过程大致分为三个阶段。由图中的扩散曲线可知，前5s可视为浆液扩散的第一阶段，该阶段的浆液受压力作用在裂隙中呈现出一种紊流状态，主要沿裂隙中的主通道向四周快速扩散，各个方向上的扩散距离均在直线增大。不同温度条件下第二阶段的持续时间不等，在20～100s之间。在第二阶段，浆液距离仍处于快速增加态势，但是增加速度较第一阶段明显减缓，主要呈现出在浆液重力和顺水流双重作用下的近圆形扩散特征。在这一阶段唯一不同的是在35℃条件下，浆液迅速胶凝化并与裂隙的边界之间产生黏结力，阻止了浆液在重力作用下的向下运动，从而呈现出一种“浆堆现象”。在第三阶段，浆液在重力的作用下沿竖直向下的方向扩散到一定程度，因此，主要受顺水流的作用，呈现出顺水流方向的坡度小于逆水流方向坡度的现象。同时，该阶段各个直线方向的扩散基本停止，而沿着角度的扩散仍旧在持续进行，呈现出顺水流方向近圆扩散的显著特征。

图2 10℃条件下浆液扩散试验结果

图3 20℃条件下浆液扩散试验结果

图4 35℃条件下浆液扩散试验结果

图5 50℃条件下浆液扩散试验结果

3.3 动水流量试验结果分析

研究中选取动水流速为0.60cm/s条件下，对不同温度环境下的动水流量变化进行分析，结果见图6～图9。由图可知，注浆过程中的动水流量可以划分为四个主要阶段：第一阶段为平稳渗流期，该阶段出水口的水流量起伏变化较小，处于平稳状态。第二阶段为多峰波动期，该阶段的出水口流量呈现出明显的起伏波动，出现反复上升下降的变化趋势。究其原因，主要是浆液注入裂隙会对水流造成显著的扰动，受到浆液胶凝和水流的耦合作用，裂隙内的流通通道被反复封堵和打开，并由此造成曲线中的多峰现象。第三阶段为动水流量的稳定下降期，该阶段由于浆液的大面积胶凝封堵，动水流量会持续减少。显然，最终的堵水效果是由本阶段动水流量的下降幅度决定的。但是，试验中不同温度条件下的下降幅度是明显不同的，10℃和20℃条件下的下降幅度较后两种温度工况大，说明等效堵水效率也较高。第四阶段为平稳结束期，该阶段浆液胶凝封堵了全部裂隙通道，但是并未扩散到全部裂隙网络，因此四周边界成为动水流动的主要边界，因此动水流量也逐渐趋于稳定。

图6 10℃条件下动水流量变化曲线

图7 20℃条件下动水流量变化曲线

图8 35℃条件下动水流量变化曲线

图9 50℃条件下动水流量变化曲线

4 结 论

针对目前注浆加固止水技术研究局限于单一裂隙或均匀分布的裂隙方面的模拟实验的现状，本文在考虑温度场和应力场的条件下，进行三维裂隙网络的动水注浆耦合试验，并获得如下主要结论：动水流速较低时堵水效果都很好，尤其以35℃时堵水效果最好，显示出温度对堵水效果的重要影响，但是，随着动水流速的增加，温度较低时堵水效果较好，而高温情况下的堵水效果并不理想；注浆过程中的浆液扩散过程大致分为压力作用下沿裂隙扩散、重力和顺水流双重作用下的近圆形扩散以及重力作用下沿顺水流方向近圆扩散三个主要阶段；注浆过程中的动水流量可以分为平稳渗流期、多峰波动期、稳定下降期和平稳结束期四个主要阶段，堵水效果主要受第二和第三阶段的影响。