松软地层灌浆参数细观数值模拟研究

闫 冬 张贵金

（长沙理工大学水利工程学院 长沙市 410114）

1 概 述

松软地层的岩土体结构松散，颗粒间空隙度大，易破坏、易水化，稳定性差，对其灌浆防渗以压密灌浆和劈裂灌浆为代表，一般表现为先压密后劈裂，边劈裂，边渗透的动态注浆过程。美国最早应用的C.C.G控制压密灌浆法，不适宜浅层和透水性低的粘土层。松软地层劈裂灌浆，由于串浆、灌浆不起压问题突出，很难形成均匀有界的加固体和实施有效的控制灌浆[1]。对松软地层防渗灌浆，要实现“可灌可控”，除了改进灌浆材料、灌浆工艺，确定合理的灌浆压力、灌浆量等控制参数非常重要。

松软地层注浆扩散过程模拟表明，一部分注浆压力损耗于劈开土体，剩余部分用来克服裂缝中浆液的流动，两部分压力导致最终出现不均匀裂缝宽度（邹金锋等，2006）[2]。受劈裂注浆的裂隙发展，注浆压力是在一定范围内起伏波动的[3]，劈裂灌浆裂缝扩展距离可视为浆液扩散半径。对低孔隙率的岩土介质（即不考虑圆形颗粒间的孔隙），基于颗粒流方法可以较好地模拟注浆过程[4]，研究表明，浆体压力的渗透距离略大于土体裂纹的扩展范围[5]，有效注浆半径与球形扩散理论计算值基本一致[6]。要确定灌浆强度控制标准，须抓主要矛盾，结合工程经验，综合判断分析[7,8]。

本文以托口水电站河湾地块深厚松软红层防渗灌浆工程实例为背景，采用基于细观散体介质理论的颗粒流方法，模拟松软岩土体灌浆得到起劈和极限劈裂压力，以及浆液扩散界限，探索孔深、岩土体性质、灌浆参数之间的关系。

2 计算案例

2.1 工程简介

托口水电站位于湖南省洪江市境内，为一等大（Ⅰ）型，总库容 13.84×109m3，电站总装机容量 830 MW，多年平均发电量 2.131×109kW·h。枢纽建筑物由东游祠主坝、王麻溪副坝、河湾地块防渗工程三部分组成。其中河湾地块防渗帷幕钻孔深度83～145 m，灌浆进尺约1.8×105m，其中松软红层及透水砾岩层在平洞内平均约80 m孔深。

（1）宏观参数的选取。

根据托口河湾地块的地层特性，参考类似工程，地层宏观力学参数取值见表1。

表1 地层宏观力学参数

（2）微观参数的选取。

根据地层的宏观参数，经过大量的数值双轴试验，选取对应的微观参数，其中粉砂泥岩、砾岩取值见表2。

表2 主体地层微观计算参数

2.2 细观数值模拟

（1）模型生成。

首先生成长宽相同的正方形土颗粒骨架模型，尺寸为20 m×20 m。颗粒半径R的设置采用从Rmin到Rmax均匀分布。将四个边界上的颗粒固定，以确定不排水边界。通过调用PFC2D内置函数库中的函数建立流固耦合模型。计算模型见图1。将灌浆孔选在模型中心，由灌浆孔到模型各个边界的距离为10 m，忽略边界约束条件的影响。

图1 流固耦合颗粒模型图

（2）地层深度模拟。

模型建立过程中通过调用isostr函数，对模型内部的颗粒半径进行同比缩放调整，使模型内部侧向应力达到预定值。在施加灌浆压力的过程中，模型的侧向应力始终保持一个恒定值。

（3）测量系统的布置。

在模型中设置三套测量系统对模拟过程进行监控，对监测结果进行实时记录。第一套测量系统由三个同心测量圆组成，其圆心在模型中心，半径依次为1.0 m，3.0 m，5.0 m；第二套测量系统从模型中心沿X轴正方向布置，每组3个，半径为1.0 m；第三套测量系统从模型中心沿Y轴正方向布置，每组2个，半径为2.0 m。具体布置见图2。

2.3 计算结果分析

（1）灌浆时间对浆体扩散的影响。

在孔深为30 m，灌浆压力为2 MPa条件下，随灌浆时间的增加，岩层中灌浆压力变化分布和裂缝扩展情况如图3所示。图中圆点表示流体域内的灌入浆体压力分布，不同半径的圆代表不同大小的压力，半径越大，压力越大。线段表示土体劈裂形成的裂缝，线段越长，裂缝越长。浆体的扩散情况可通过灌浆压力的分布及裂缝的扩展半径来反映。

图2 测量系统布置图

图3 浆体压力及裂缝扩展范围随时间变化情况

分析可知，劈裂灌浆的过程是压密、劈裂、再压密，再劈裂的过程，其中渗透灌浆伴随全过程，即压密、劈裂、渗透三种灌浆方式协同作用。开始阶段（step为100～500），浆体渗透进入到地层中较大孔隙，通过挤密作用压实土体。当灌浆压力大于起劈压力时，颗粒黏结被破坏，岩土体产生明显裂隙。随灌浆时间的增加（step为500～2 000），裂缝向四周扩散，数量不断增多，范围不断增大，浆体在地层中产生劈裂流动，扩散范围随之增大。经劈裂灌浆后（step为2000～7000），裂缝被浆体充填，地层得到挤密，随着更多浆体的注入，三种灌浆方式会再次作用于岩土体，直到灌浆结束。劈裂裂缝的最终扩展半径即为浆体的扩散半径。

岩土体孔隙率可作为检验灌浆效果的重要指标。分析第一组监测圆1、2、3测得的孔隙率变化情况（图4），由于压密作用及劈裂作用，孔隙率总体呈现不断增大的规律。由测量圆1可知，在劈裂灌浆阶段，由于裂缝的产生，孔隙率会突然增大，浆体进入裂隙加大了裂缝宽度，孔隙率从14%增大到24.4%，说明灌浆孔周围1 m内范围得到了较好的灌注。第二、三组监测圆测得的孔隙率减小（图5），说明该区域受到了压密作用。水平方向和垂直方向的孔隙率都变小，说明灌浆压密均匀。

图4 第1组监测范围岩土体孔隙率变化

图5 第2、3组监测圆范围岩土体孔隙率变化

（2）不同灌浆压力下浆体的扩散规律。

图6为孔深为50 m、灌浆时间为7 000时步条件下， 灌浆压力分别为 0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa时的裂缝扩展情况。当灌浆压力为0.5 MPa时，颗粒间出现拉应力，但由于灌浆压力较小未达到起劈压力，不足以破坏颗粒黏结形成裂缝，此时的灌浆主要以渗透灌浆和压密灌浆为主。当灌浆压力为1.0 MPa时，岩土体出现裂缝，说明灌浆压力达到了起劈压力，破坏了颗粒间黏结，产生劈裂。当以更大的灌浆压力灌注时，裂缝产生的速度与数量都明显增大，浆体的扩散半径也随之变大。浆体的最大扩散半径随灌浆压力的增大从1.8 m增加到4.2 m。当灌浆压力达到4.0 MPa时，岩土体出现大量裂缝，说明过大的灌浆压力会对地层造成严重破坏，此时的灌浆压力定义为极限灌浆压力。不同灌浆压力下的浆体扩散半径见表3。

图6 压力及裂缝扩展范围随灌浆压力变化情况

表3 不同灌浆压力下的浆体扩散半径（围压为1.0 MPa）

（3）不同深度条件下浆体的扩散规律。

灌浆压力为1.5 MPa、灌浆时间为7 000时步条件下，孔深分别为30 m、50 m、80 m对应得地层深度时的灌浆压力变化和裂缝扩展情况见图7。可知，在同样的灌浆压力作用下，随孔深加大，产生裂缝的数量和范围减小，浆体最大扩散半径从2.9m减小到2.0 m。当灌浆深度为80 m时，岩土体出现微小裂缝但不能发生劈裂灌浆。

通过对不同孔深施加不同灌浆压力的灌浆效果进行模拟，得出不同岩层的起劈压力、极限灌浆压力及对应的浆体扩散范围见图8、图9，数值见表4。可知地层越深，土体的起劈压力越大，浆体的扩散距离与地层深度及灌浆压力密切相关。

表4 颗粒流模拟结果

图7 不同深度下的浆体扩散半径

图8 不同孔深地层在起劈压力作用下的灌浆效果

图9 不同孔深地层在极限灌浆压力作用下的灌浆效果

3 小 结

（1）基于工程地质勘探，获得有限的岩土体基本物理力学参数，通过对不同地层、不同孔深的细观数值研究，得到灌浆控制参数的区间标准，为不同工程背景提供合理的灌浆控制参数，为现场灌浆施工提供参考，也可作为选择灌浆方案、合理设置孔排距的重要依据，这一思路是可行的。

（2）松软地层防渗灌浆要达到效果，必须确保最低灌浆压力，控制最大灌浆压力。低于起劈压力，只会在孔周产生渗透和压密效应，有效防渗范围有限，但超过极限灌浆压力，又会产生串浆、冒浆，造成无效灌注，甚至安全事故。

（3）颗粒流方法尚未考虑的因素，包括高孔隙率的岩土介质、颗粒比差异性显著的各向异性岩土受灌体、不同浆材及其流变特性、以及灌浆压力的波动特性等的模拟。

1 任臻，刘万兴.灌浆的机理与分类[J].工程勘察，1999，（2）：11-14.

2 邹金锋，李亮，杨小礼.劈裂注浆扩散半径及压力衰减分析[J].水利学报，2006.37（3）：314-319.

3 张忠苗，邹健.桩底劈裂注浆扩散半径和注浆压力研究[J].岩土工程学报，2008.30（2）:181-184.

4 郭广磊.黏土中压力注浆动态数值模拟研究[D].济南:山东大学，2006.

5 孙锋，张顶立，陈铁林，等.土体劈裂注浆过程的细观模拟研究[J].岩土工程学报，2010.32（3）:474-480.

6 袁敬强，陈卫忠，谭贤君，等.软弱地层注浆的细观力学模拟研究[J].岩土力学，2011.32（Supp.2）:653-659.

7 CHAN Man Piu.Analysis and modeling of grouting and its application in civil engineering[D].Faculty of Engineering and Surveying，University of Southern Queensland，2005.

8 龚晓楠.对岩土工程数值分析的几点思考[J].岩土力学，2011，32（2）：321-325.