变态混凝土浆液扩散规律及注浆孔对比试验研究

孙 琰，莫世远，张营营，辛 欣

(三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

变态混凝土浆液扩散规律及注浆孔对比试验研究

孙 琰，莫世远，张营营，辛 欣

(三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

变态混凝土成孔注浆的扩散规律是碾压混凝土坝迎水面中注浆孔设计的重要依据。本文通过对变态混凝土拌合物进行简单分析，然后建立数值计算模型，应用FLUENT软件模拟浆液的渗透流动，计算了单排孔注浆和双排孔注浆模式下，浆液随计算时间进程的扩散半径，分析了注浆浆液扩散半径与时间的关系，以及注浆量与时间的关系，总结了浆液扩散的规律，选出适合的注浆管小孔布置，并运用到具体的工程实例予以验证。验证结果表明注浆浆液扩散半径的检测结果与数值计算模拟结果基本相符，其对类似注浆工程中注浆方案的确定具有一定的借鉴意义。

变态混凝土；注浆孔；数值计算；扩散半径

碾压混凝土坝具有施工快、工期短、节约水泥用量等优点，目前在国内水利工程的应用范围越来越广，碾压混凝土坝筑坝工艺和质量在不断提高[1]。变态混凝土的应用虽解决了坝体一些部位无法采用振动碾压的施工问题，但变态混凝土注浆技术中仍存在不少急需研究并予以解决的问题[2]，其中就包含变态混凝土的浆液扩散问题。影响浆液扩散的因素包括注浆压力大小、浆液参数、混凝土拌合物参数、单孔注浆量等因素，若想准确分析浆液渗透规律，需要针对各参数对浆液渗透影响进行研究。在工程实际中，若能准确的掌握浆液扩散规律，将非常有助于进行合理的注浆设计与施工安排，会大大节省工程成本，提高注浆效率和准确率[3-4]。

本文采用数值模拟和现场试验的方法对变态混凝土注浆浆液进行渗透机理研究，在仅考虑混凝土配合比对浆液渗透的影响下，将对称分布的单排孔、双排孔布置进行对比试验与分析，选出合适的孔径布置方式，不仅能指导注浆设备的设计和优化，还能指导施工现场的注浆工作，在变态混凝土快速施工中具有广阔的应用前景。

1 注浆模型浆液扩散研究

利用FLUENT模拟变态混凝土注浆浆液流动，首先需要建立模型、定义边界条件、划分网格，然后在FLUENT软件里进行求解设置，最后进行结果显示和处理[5-6]。

注浆施工中浆液的扩散是浆液在拌合物的孔隙中驱赶里面空气的过程，采用FLUENT模拟时，将RCC拌合物视为多孔介质。浆液最后扩散范围图中的中间颜色区域为浆液体积分数为1的区域，即为浆液扩散的范围；其它颜色部分浆液的体积分数为0，即为未扩散到该区域(可参见图4、图6)。

1.1 变态混凝土注浆数值模型

1.1.1 计算模型

建立数值模型是求解的基础，利用GAMBIT建模。在变态混凝土注浆施工中，首先需要在碾压混凝土拌合物中成孔，然后开启注浆设备开关开始注浆。变态混凝土注浆模型如图1所示，浆液从注浆头上面中间的圆孔进入注浆管，在压力作用下，浆液从下面的侧面注浆小孔注入到碾压混凝土拌合物中。

图1 变态混凝土注浆模型

图1为变态混凝土注浆模型，尺寸选取为500 mm×350 mm，介质为多孔介质(碾压混凝土拌合物)。

对图1的注浆模型进行模拟分析时，考虑整个流场的对称性，本文选取流场的1/4进行分析，这样可以减少计算的工作量。计算分析网格如图2所示。

图2 计算分析网格

1.1.2 边界定义

鉴于注浆模型边界的特点和浆液流动的性质[5]，入口边界选择压力入口，出口边界选择压力出口，这样计算容易收敛。根据注浆模型和边界类型，边界条件设置见表1。

表1 边界条件设置

表1中的fluid-air，fluid-porous为区域边界，可以在FLUENT里面进行流场性质的设定，inlet和outlet为进出口压力边界，symm1和symm2为模型左右侧截面。

1.1.3 计算步骤

根据建立的模型，把网格划分和边界定义好以后，将网格文件导入到FLUENT里面进行模拟分析和结果显示。根据FLUENT软件求解流程，模拟分析采用如下参数设置及计算步骤[5]：

(1)求解设置

表2 求解设置

(2)迭代设置

由于在计算之前，不清楚流场中的特征速度，采用尝试法估计时间步长。设置时间步长为0.001 s，迭代5000步，即模拟5 s内的流动。每个时间步长最多迭代20次。设置好后，开始迭代计算，随着迭代计算的进行，可以从录像中看到浆液的变化。

1.2 注浆方案比选

在变态混凝土设备研发中，为了研究设备的注浆效果，注浆管上的注浆小孔设置中采取了两种注浆方案，分别采用了单排孔注浆和双排孔注浆。因此，对不同的方案进行浆液扩散分析，从模型扩散分析上得到更好的注浆方案。

1.2.1 单排孔注浆

注浆管的单排孔设置见图3，一周4个孔，对称布置。按照前面所述的设置及计算步骤，模拟得到不同时刻的浆液扩散情况如图4所示。

图3 单排孔平面图(单位：mm)

图4 单排孔注浆的浆液扩散情况

由图4可以看到，在第1 s时刻，浆液开始注浆扩散，由于注浆设备有一定的缓冲时间，浆液扩散较少；第2 s时刻，按照球形理论扩散，效果较好，扩散较快；第3 s时刻，扩散较快，按照柱形理论扩散，由于设置的混凝土表面是边界，浆液有向上扩散的现象，但在现实注浆过程中，此为冒浆行为；第4 s时刻，浆液扩散较慢，说明注浆浆液快要达到极限扩散能力。

由以上分析说明，注浆数值模型在浆液扩散第2 s时刻效果最好。在实际注浆过程中，应保持此状态，并调整注浆参数满足注浆要求。

1.2.2 双排孔注浆

注浆管的双排孔设置见图5，一周4个孔，对称布置。按照前面所述的设置及计算步骤，模拟得到的不同时刻的浆液扩散情况如图6所示。

由图6可以看到，双排孔跟单排孔最大的区别在于第1 s时刻和第2 s时刻，后面的注浆效果差别不大。双排孔的在第1 s是两排孔同时注浆，更容易扩散，在实际工程注浆过程中，为了满足不冒浆的条件，双排孔浆液扩散效果明显优于单排孔。

图5 双排孔平面图(单位：mm)

图6 双排孔注浆的浆液扩散情况

2 双排孔注浆试验结果验证分析

为了验证数值计算的真实性，变态混凝土注浆设备的注浆效果，在某水电站变态混凝土注浆施工过程中，在施工现场进行了浆液在变态混凝土中的扩散检测试验，摊铺变态混凝土时预埋设传感器，现场注浆及检测如图7所示。

图7 现场注浆及浆液检测图

根据变态混凝土施工要求，分别选取碾压混凝土二级配和三级配，碾压混凝土拌和物配合比见表3，变态混凝土浆液配合比见表4。通过粒径计算，试验采用的二级配平均颗粒直径为1.24 cm，三级配平均颗粒直径为2.09 cm；水泥浆液配合比统一，水胶比为0.5，变态混凝土浆液方量根据现场施工要求，做5%的加浆量；注浆压力根据注浆设备的控制系统设置，分别选择1.5 MPa、1.6 MPa、1.7 MPa、 1.8 MPa、1.9 MPa及2.0 MPa；双孔注浆量采用2 L和3 L。

表3 碾压混凝土现场生产性试验混凝土参数表

表4 变态混凝土浆液配合比

根据现场注浆情况，检测得到现场浆液扩散半径结果，并与模拟计算结果进行对比。具体如图8、图9所示。

图8 二级配碾压混凝土扩散半径计算值与检测值对比

图9 三级配碾压混凝土扩散半径计算值与检测值对比

通过图8、图9的对比分析，可以发现部分现场检测的数据值偏小，由于现场条件并非完全理想状态，刚注浆后浆液还未完全扩散，注浆压力较小时，扩散自然就比较慢，注浆压力较大，扩散自然就快些。

总的来说，通过数值模拟计算获得的扩散半径与现场检测的扩散半径比较接近，它们的误差最大值均在5%范围内。另外，本试验使用的传感器只能检测到厘米一级，因此存在一些误差。

3 结 论

(1)根据变态混凝土组合物的特性及不同的注浆小孔方案，本文采用FLUENT多孔介质模型进行模拟浆液的渗透流动。对比分析了不同注浆管小孔的浆液扩散情况，双排孔扩散效果较好，因此，在变态混凝土注浆设备的注浆管小孔选型时，应优先选择双排孔。

(2)在某水电站进行了现场注浆试验，并将变态混凝土注浆试验现场检测的结果与模拟计算的结果进行比较分析，得出检测结果与模拟计算结果基本相符，可以作为注浆设备的浆液扩散参数。将求得的参数输入到设备上，并根据现场施工的不同情况，调整注浆孔的间排距，以满足注浆扩散要求。

[1] 邵力群,王志刚,李泽民.碾压混凝土坝中变态混凝土施工研究[J].人民黄河,2004(6):44-45.

[2] 黎思幸,魏志远.关于变态混凝土技术及其研究方向的讨论[J].水力发电,2002(1):27-29.

[3] 杨坪,唐益群,彭振斌，等.砂卵(砾)石层中注浆模拟试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(12):2134-2138.

[4] 杨秀竹,王星华,雷金山.宾汉体浆液扩散半径的研究及应用[J].水利学报,2004(6):75-79.

[5] 赵雄.变态混凝土注浆设备浆液渗透机理研究与应用[D].武汉：武汉大学,2011.

[6] 颜曦,刘照,吴旭，等.变态混凝土施工中浆液的渗透机理[J].武汉大学学报(工学版),2014(6):785-788.

变 更 启 事

2015年4月，经黑龙江省新闻出版广电局审核，国家新闻出版广电总局批准，由黑龙江省水利厅主管和主办的《水利天地》进行了系列变更：主办单位由黑龙江省水利厅变更为黑龙江省水利科学研究院，刊名由《水利天地》变更为《黑龙江水利》，刊号由CN 23-1031/TV、ISSN 1002-3305变更为CN 23-1594/TV、ISSN 2096-0506。

2015年6月《黑龙江水利》正式创刊出版，为月刊。 《黑龙江水利》全体人员有信心为作者及读者做好服务，期望大家对本刊继续给予关心和支持。

Metamorphic concrete grout diffusion regularity and grouting hole contrast test research

SUN Yan，MO Shiyuan，ZHANG Yingying，XIN Xin

(CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

The diffusion law of Metamorphosis concrete into the hole grouting is the important basis of the positive side of the roller compacted concrete dam grouting hole design.Based on a simple analysis about metamorphosis concrete composition,and then create numerical models,using FLUENT software to simulate the penetration of the slurry flow,calculating the slurry diffusion radius of single and double row of holes patterns over the time course,analyzing the relationship between the grout diffusion radius and time and the relationship between grouting quantity and time,summarizing the laws of grouting diffusion,selecting the optimum aperture disposed of grouting pipe,and apply to the specific project examples to be verified,verification results show that the grout diffusion radius of test results and numerical models results are consistent.It has a certain significance for similar grouting project to choice grouting scheme.

metamorphic concrete；grouting hole；numerical calculation；diffusion radius

孙 琰(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为水利工程施工技术与组织管理。E-mail：1171824169@qq.com

TV543+.15

A

2096-0506(2015)05-0017-06