水库坝基裂隙岩体注浆加固机理及其应用研究

于春红

(本溪满族自治县水利勘测设计队，辽宁 本溪　117100)



水库坝基裂隙岩体注浆加固机理及其应用研究

于春红

(本溪满族自治县水利勘测设计队，辽宁 本溪117100)

【摘要】由于在水库坝基裂隙岩体处治施工过程中缺乏对裂隙注浆加固机理的深入研究，亟须解决裂隙岩体注浆压力缺少定量分析而选取盲目的问题。需要确立扩散半径和注浆压力的关系式，为裂隙注浆加固工程设计、施工提供理论基础和技术措施。本文通过对水库坝基中裂隙岩体注浆加固机理、模型试验以及工程实践进行研究分析，揭示了裂隙带和注浆孔存在相交与不相交两种位置关系，并得出了注浆时裂隙发生劈裂的过程。通过建立物理模型、分析数据，建立了不同水灰比条件下注浆压力与扩散半径的关系，分析了裂隙岩体注浆施工中合理的注浆压力区间。根据工程中水库坝基基岩物理量参数，计算出了扩散半径，以指导注浆加固工程施工。

【关键词】裂隙岩体；注浆加固机理；扩散半径

1　概　述

岩体中裂隙的存在对岩土工程类施工项目构成巨大威胁，特别是在水库大坝工程、隧道工程、巷道工程中，由于裂隙存在造成的溃坝、隧道涌水和巷道垮塌等安全事故屡见不鲜。对裂隙的形成和发展规律不清楚，对其缺乏最基本的预测，是造成灾害事故发生的主要原因之一，因此开展对裂隙的研究显得更加急迫。

国内外很多专家学者对裂隙的发展作了较多的研究，Alexey Malinin[1]主要开展了处治裂隙常用的浆液研究分析，从浆液的基本性质入手，将裂隙注浆浆液视为牛顿浆液，并通过模拟研究分析了浆液在裂隙中的流动；杨志全[2-3]等将注浆浆液视为宾汉姆流体进行分析，在分析浆液流体性质的基础上，建立了单一裂隙注浆模型，分析了浆液流动；许万忠[4]通过模拟研究浆液在主裂隙中的流动情况，从力学的角度研究分析了岩体的抗剪强度和抗剪刚度；罗平平[5]通过构建浆液在岩体裂隙中的流动模型，模拟研究了裂隙浆液的流动规律；刘健[6]基于普通浆液的性质特点，通过室内试验的方法，研究分析了浆液在动水条件下的流动规律；郑玉辉[7]研究分析了影响浆液在裂隙中流动的各个参数，并通过改变裂隙流动参数对浆液流动的影响规律进行了试验分析；许广坡[8]进行了岩溶地区裂隙注浆的模拟试验研究。

以上国内外学者对岩体裂隙做了很多研究，特别是在裂隙特征、处置技术和浆液流动规律方面作了详细的分析，也取得了一定的成果；但是同时也可以看到，大多数的研究主要集中在以上三个方面的分析，而对于裂隙的发育情况和发育规律研究偏少，对于坝基岩体裂隙的发育规律、注浆处治技术方面的研究更是鲜见。

本文基于关门山水库坝基工程，通过采用资料分析和TSP探测分析，研究了坝基岩体裂隙的发育规律，根据裂隙的发育情况，采用了注浆处治技术。下面从施工方案、施工过程、注浆处治等方面加以介绍。

2　裂隙岩体注浆机理

2.1裂隙岩体注浆孔孔壁劈裂分析

采用注浆来解决裂隙灾害威胁是目前公认的最有效的方法之一。对注浆机理进行分析是解决裂隙问题的关键。在注浆中，通过探测技术首先了解裂隙的发育情况，根据裂隙在岩土的发育规律，来确定注浆时浆液孔的方位；通常情况下，在设计钻孔的位置如果存在大裂隙，见图1(a),注浆后浆液由于其流动性就很容易通过大裂隙以及与大裂隙相连接的小裂隙扩散到四周，起到注浆加固的目的；当设计钻孔位置没有与大裂隙相交时，见图1(b)，这种情况下注浆比较复杂，只有通过增加注浆的压力使裂隙产生劈裂，劈裂后的裂隙逐渐连接到主裂隙，相当于采用注浆压力将裂隙进行贯通的一个过程，最后形成一个裂隙注浆网络，达到注浆加固的目的。具体的裂隙贯通的过程和特征见表1及图2。

图1　裂隙带与注浆孔的空间位置关系

阶 段分 类特 征最初阶段浆液填充 钻孔后,由于钻孔没有与主裂隙相交,而仅仅与次裂隙相交,此时浆液只是通过次力学扩散到裂隙次阶段初次劈裂 当次裂隙被浆液充满时,通过增加注浆压力,使次裂隙发生裂隙劈裂,顺着劈裂发现浆液流动第三阶段二次劈裂 裂隙劈裂由于压力太小原因,并没有充满到整个裂隙网络,因此要进一步增加注浆压力,使之产生二次劈裂最终阶段劈裂贯通 在二次劈裂结束后,整个裂隙网络基本贯通,此时所需注浆压力降低,浆液开始在贯通的裂隙中流动,填充满整个裂隙网络

图2　不同劈裂阶段示意图

通过以上图表对基岩注浆机理进行分析。在注浆过程中，由于技术或设计的原因，并不能保证钻孔和主裂隙相交，甚至大部分的钻孔都不能相交于主裂隙，因此，需要增加注浆压力来改变裂隙状态，目的就是通过压力形成次裂隙的劈裂，最后和主裂隙相交。这个过程的关键是控制压力，注浆压力小于孔壁的应力，孔壁不会发生劈裂；在注浆压力满足条件的情况下，孔壁发生劈裂的深度随劈裂应力的增大而增大。

2.2注浆压力在裂隙注浆中的作用

通过以上了解，注浆过程中注浆压力对注浆效果有着重要作用，注浆压力对浆液的扩散半径也起着至关重要的作用，直接影响了注浆的效果，因此需研究分析注浆压力对扩散半径的影响。通过构建模拟单一裂隙注浆模型，对模型进行单孔注浆；通过调控注浆压力，分析不同水灰比条件下合理的注浆压力[9]。

建立的模型要按照相似比原理，将实际工程岩体按照一定的比例进行缩放，即可得到相似的模型，除了对原型进行缩放外，对于岩体的物理性质也按照相同的参数进行处理[10]。关门山水库坝基现场探测的结果显示，裂隙分为水平裂隙和垂直裂隙，分别为3～5cm、1～2cm；按照建立的模型缩放比例1∶50来进行计算，得到的水平裂隙和垂直裂隙分别为0.6～1mm、0.2～0.4mm；由于模型试验难以模拟1mm以下的裂隙，因此只能放大比例，水平裂隙和垂直裂隙分别定为1～2mm、1mm；具体建立的缩放模型大小为0.25m×0.25m×0.1m，然后进行注浆试验分析，最后根据试验结果进行分析，见图3、图4。

图3　吸水率5%的理想模型扩散半径与压力曲线

图4　吸水率0的理想模型扩散半径与压力曲线

图3、图4反映了不同吸水率和不同水灰比条件下，注浆压力和浆液扩散半径的变化情况。从图3可以看出，随着水灰比的增大，相同的注浆压力下，扩散半径是增加的，而在相同的扩散半径下，需要的注浆压力是减小的；同理，在水灰比保持不变的情况下，随着注浆压力的增加，扩散半径也是增加的；图4情况也是如此，对比两图，吸水率也是影响扩散半径的一个因素，吸水率小，扩散半径稍大一些；从图上我们可以选择最优的注浆参数，通过相似原理进行放缩，最后确定的注浆压力为3～4MPa。

3　工程应用

3.1工程概况

关门山水库枢纽，水库坝址地处岩溶地质区，地质条件较为复杂，裂隙发育极为广泛。坝基岩体主要为凝灰岩、角砾岩以及火山流纹岩等，主要位于坝基位置，基岩风化程度不高。

对基岩采用地质雷达和TSP进行超前预报，地震波信号处理后坝基周围出现较多负反射波，说明基岩的岩性发生变化较大；靠近河谷地带的坝基，反射明显增多，说明该地区裂隙发育，岩质较差。

3.2施工设计

由勘查现场得出的基岩物理参数见表2。

表2　关门山水库坝基裂隙注浆参数

将表2数据代入经验公式[10]计算得出，扩散半径的范围为2.5～3.4m，符合工程实际要求。选择的浆液配比参数和注浆设计参数见表3和表4。

表3　径向注浆材料配比参数

3.3施工技术

施工步骤见图5，在施工中需要注意以下问题：

a.在进行孔位测量放样中一定要力求准确，防

表4　注浆设计参数

止由于孔位设计错误导致无法达到预定位置，造成孔位浪费；钻孔时，钻机低速钻进，钻孔中一定要防止发生卡钻现象；另外钻孔过程中还要保证角度的准确性，防止出现角度偏差。

b.注浆过程中，要确保水泥和外加剂的充分混合，这样才能保证封堵裂隙加固作用实现；另外注浆中按照一定的注浆压力进行，既要防止因为压力过小不能达到注浆效果，也要防止压力过大损坏注浆机；在基岩岩性特别差的地段，特别注意加密注浆。

图5　锚杆注浆施工工艺流程

4　效果分析

通过以上施工后，对采用的施工技术进行监测。通过采用钻孔摄像和地质雷达进行分析，得到以下结果：

a.注浆后，基岩各项参数得到较为明显的提高，密实度提高了5%；改善了泊松比，该数据下降了7%，透水系数降低，仅为原来的1%左右，裂隙系数降低，渗水量明显减少，堵水效果明显；从反射波形分析，注浆后，基岩裂隙得到极大改善，注浆是成功的[11]。

b.注浆压力达到3～4MPa后停止注浆，浆液在基岩裂隙中的扩散情况符合预期，并且按照原设计的扩散半径进行扩散，误差不超过3%。

c.对基岩进行的钻孔摄像监测分析显示，在注浆之前，同一段地带，不小于3mm的裂隙超过20条，在0.2～3mm区间的裂隙有30条；注浆后，裂隙条数明显减小，不小于3mm的裂隙减少为0条，0.2～3mm区间的裂隙仅剩4条。因此可以确定注浆效果明显。

5　结　语

本文分析了注浆情况下钻孔与主裂隙的基本关系，特别是分析了在与主裂隙不相交时，注浆后裂隙的劈裂过程；利用相似原理建立了裂隙注浆单一孔注浆模型，研究了不同水灰比和不同吸水率条件下注浆压力和扩散半径的差异；对关门山水库工程，制定了合理的注浆方案，通过注浆施工，裂隙情况得到明显改善，产生了良好效果，对以后水库大坝基岩裂隙注浆施工提供了参考。

参考文献

[1]Alexey Malinin, Ilya Gladkov, Dmitriy Malinin . Experimental research of jet-grouting parameters in different soil conditions[J]. Deep and Underground Excavations,2010(9):49-54.

[2]杨志全,等.基于考虑时变性的宾汉姆流体的渗透注浆机理研究[J].四川大学学报(工程科学版),2011,43(S1):68-72.

[3]杨志全,等.黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆机制研究[J].岩土力学,2011,32(9):2698-2703.

[4]许万忠.节理裂隙岩体注浆渗透模型分析[J].中国铁道科学,2010,31(3):48-51.

[5]罗平平,等.空间岩体裂隙网络灌浆数值模拟研究[J].岩土工程学报,2007,29(12):1844-1848.

[6]刘健,等.水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2012,12(12):2445-2452.

[7]郑玉辉.裂隙岩体注浆浆液与注浆控制方法的研究[D].长春:吉林大学,2005.

[8]许广坡.岩溶注浆扩散半径物理模型试验及数值模拟研究[D].成都:西南交通大学,2010.

[9]袁剑军.土石坝防渗墙黏土混凝土材料的工程应用初探[J].水利建设与管理,2013(2):33-35.

[10]夏建军.胶结材料筑坝技术在白土岭水电站的应用[J].中国水能及电气化，2014(11)：14-16.

[11]徐飞.沈阳地区水资源短缺原因分析及对策研究[J].水资源开发与管理，2015(1)：24-26.

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.07.019

中图分类号：TV698

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)07- 0066- 05

Research on reservoir dam foundation fracture rock mass grouting reinforcement mechanism and its application

YU Chunhong

(BenxiManchuAutonomousCountyWaterConservancySurveyandDesignTeam,Benxi117100,China)

Abstract:Since reservoir dam foundation fracture rock mass treatment construction process is lack of in-depth study on fracture grouting reinforcement mechanism. The problem of blind grouting pressure selection caused by quantitative analysis absence should be solved. The relationship expression between diffusion radius and grouting pressure should be established. Theoretical foundation and technical measures are provided for the design and construction of fracture grouting reinforcement projects. In the paper, fracture rock mass grouting reinforcement mechanism, model test and engineering practice in the reservoir dam foundation are studied and analyzed, which reveal fractured zone and grouting holed exsit two position relationships of intersect and non-intersect. The fracture crack process in the grouting process is obtained. The relationship between grouting pressure and diffusion radius is established under different water cement ratio conditions. Rational grouting pressure interval in fracture rock mass grouting construction is analyzed. Diffusion radius is calculated for guiding grouting reinforcement project construction according to reservoir dam foundation bed rock physical index in the project.

Key words:fracture rock mass; grouting reinforcement mechanism; diffusion radius