岩溶地区坝基帷幕注浆技术应用研究

(葫芦岛平山供水有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125000)

岩溶地区水利工程大坝岩的一个突出问题就是岩溶渗漏，严重削弱大坝地基的稳定性、强度。帷幕注浆技术在水利工程防渗领域被广泛运用。文献[1]针对坝基注浆困难的特点，提出“孔口及坝体封闭、基岩内自上而下分段孔内循环注浆”的注浆工艺，实践证明该注浆工艺效果较好。文献[2]通过理论分析结合数值模拟计算，对坝基注浆帷幕的渗透性、深度、厚度的合理性进行了研究，建立了坝基帷幕的相对水头值经验公式。更多还原

1 工程概况

辽宁观音阁水库库区面积62 km2，最大库容量21.7亿 m3。该水库具有供水、发电和防洪的综合效益，属于大Ⅰ型水利枢纽工程，水库每年为当地工业供水8亿 m3，农业供水4亿 m3。其水库大坝为碾压混凝土重力坝，坝址岩溶发育，为了避免坝基被冲刷发生管涌事故，采用防渗帷幕技术对坝基进行抗渗加固。

图1 流体变化曲线

2 帷幕注浆技术

注浆帷幕是在大坝上游平行于坝轴线的坝基内，将浆液灌入坝基岩层裂隙、孔隙中，形成一道具有承载强度高、抗变形能力好、抗渗性较好的帷幕形状防渗条带。帷幕注浆技术通过封填孔洞，堵截流水，使得坝基岩溶地区的渗透性、渗流量、孔隙压力降低，抗渗能力显著提高[3]。降低了基础扬压力，使大坝断面减小，降低成本，避免坝基被冲刷、管涌，保证坝基稳定、安全。

2.1 浆液概念

为了使得注浆能在地层裂隙中易于扩散，选择流动性高、压损小的浆液，实现小压力大扩散的目的。按流浆液流变性将其为牛顿流体、宾汉流体、幂律流体三大类，幂律流体、宾汉流体、水灰比、牛顿流体的水灰比分别为0.5～0.7、0.8～1.0、2.0～10[3]。牛顿体流体仅有粘滞性，粘滞性即内摩擦力，宾汉姆体流体不但具有粘性还具有塑性，其流变曲线如图1。

图2 压密示意图

2.2 注浆理论

注浆法借助气压、液压、电化学原理，通过把浆液注入天然、人工钻孔、裂缝孔隙中经过浆液的凝固、固化，形成强化地层区域[4]。实现对被灌地层的加固、防渗处理，浆液填充到坝基地层的裂隙中逐渐凝固、硬化形成强化地层区域。在地基处理中，注浆工艺所依据的理论主要可归纳为以下四类。

2.2.1 渗透注浆理论

在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力渗入孔隙和裂隙，压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就越大。这种理论假定在注浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的注浆压力相对较小。适用于中砂以上的砂土和有裂隙岩石。代表性的渗透注浆理论：球形扩散理论、柱形扩散理论、袖套管法理论。

2.2.2 压密注浆理论

浓浆通过钻孔被加压灌注到土层内，随着浓浆灌入量增多，土体密实度逐步增大，压浆点周围空间会呈现灯泡状，而且受浆液挤压作用而才向四周产生抬力，从而引起地层局部隆起，许多工程种用这一原理纠正了地面建筑物不均匀沉降，被称为土内压密[5]。表面压密：在建筑物底板下土层表面压浆，使土体自上而下的固结沉降，图2 为压密示意图。

2.2.3 劈裂注浆理论

在注浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，对原土层或岩体结构造成扰动和破坏，地层中产生裂缝和孔隙，或者原有裂缝和孔隙尺寸扩大，使其整体性受损，这样会大大提高低渗透性地层的灌浆度及灌浆辐射范围，但要求注浆压力必须达到某一数值。

2.2.4 电动化学注浆

将金属电极按照一定位置分布插入粘土层，连好电线后接通直流电，其目的是在土层中引起电渗、离子交换等现象，这样就会使通电影响区域内土层中含水量降低，从而在土内形成渗浆通道，若在通电时向土中灌注硅酸盐浆液，就能在通道上形成硅胶，并与土颗粒胶结成具有一定力学强度的加固体[5]。

2.3 注浆参数的选择

2.3.1 注浆压力

注浆压力关乎帷幕防渗效果及其耐久性，注浆压力可以分解为孔口位置压力表显示的压力、压力表至注浆段间浆柱的压力、压力表处至注浆段间管路摩擦压力损失。注浆压力的确定与施工坝基处地质状况有关，可以结合经验公式与注浆试验确定注浆压力。注浆压力的上限不能破坏岩体结构的完整性[3]。

[pe]=c(0.75T+Khλ)

式中：pe为容许注浆压力；c为与注浆期次有关的系数；T为地基覆盖层厚度(m)；K为与注浆方式有关的系数；λ为与地层性质有关的系数；h为地面至注浆段的深度(m)；

2.3.2 浆液扩散半径的计算

浆液扩散半径直接影响了整个项目的工程量及投资成本，浆液在岩体裂隙中的扩散状况多呈树枝状，浆液在岩体中呈圆形扩散，为了方便计算浆液扩散半径具体数值，可以将岩层假设为均质状。

式中：r1为浆液扩散半径；k为砂土渗透系数；h1为注浆压力水头；r0为注浆管半径；β为浆液粘度对水的粘度比；n为砂土孔隙率

3 FLAC3D有限元分析法

FALC3D软件具有十分强大的内置计算功能能够对岩土变形问题进行出色的模拟，可以将岩体内部的破坏机理可视化数据化[6]。实际施工时岩土体网格划分较为复杂，影响到模拟计算的运行速度，在保证模拟真实性基础上可以合理简化岩土体。实际建立模型时不考虑地层水、注浆自重，注浆时间的影响。

3.1 原理分析

有限元FLAC3D软件内置的Mohr-Coulomb屈服准则模拟围岩应力和位移变化。

上式中σ1，σ3依次代表围岩所受的MAX和MIN主应力；C，φ依次代表为围岩的内聚力和内摩擦角[4]。若fs=0时，围岩内部剪切破坏；若ft=0时，围岩内部拉伸破坏。

水泥浆液的流变性、浆液粘度随着时间变化不同，前者不变，后者变化。浆液凝固前变化规律符合以下公式。

η(t)=ηp0ekt

式中：ηp0、k表示浆液系数，t表示时间

3.2 模型建立

模型高度×模型长宽=12m× 5m，由地质勘察报告可知，施工地层内发育有岩溶洞，岩溶洞处于基岩处，至钻孔底部均为灰岩，表1为其参数。溶洞设置在模型中57.5、60.5 m两处，溶洞均高1.0 m，密集处溶洞平均间隔大约2～3 m[3]。模型立体及其剖面如图3(a)、(b)所示。模型底面、四周位移量为0，注浆压力设置为1.0 MPa，浆液水灰比设定为0.5。

表1 模拟参数的选择

其中γ为岩石干密度，K为渗透系数，n为孔隙率，C为内聚力，μ为泊松比，E为弹性模量，f为内摩擦系数。

4 注浆效果数值模拟分析

4.1 注浆压力分析

岩层下54～64 m为第1段注浆段长度，四周及底部设定x、y、z三轴方向上初始位移都是0，模拟孔隙度设定为6×10-3cm/s，注浆压力值设定为1.0 MPa。下图4为60 s、300 s、900 s、1 800 s时孔隙压力。

图4可知，注浆耗浆量因为存在溶洞的原因，溶洞周围注浆范围明显扩大，整体耗浆量也提高。随着灌注时间延长钻孔内浆液的扩散半径呈现扩大趋势。

(a)立体模型图 (b)剖面模型图

图4 60 s、300 s、900 s、1 800 s孔隙压力分布

注浆压力的选择关乎注浆是否能取得良好效果，为了研究注浆压力，在水灰比(W/C)设置为0.5时设定注浆压力分别为0.8 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa，图5为注浆压力0.8 MPa时60 s、300 s、900 s、1 800 s时孔隙压力图。

图5 60 s、300 s、900 s、1 800 s孔隙压力分布

随着注浆时间的延长，浆液扩散范围依旧呈现显著的增大趋势，当水灰比设定为 0.5时，做出随注浆时间延长浆液扩散半径的变化图，可知水灰比为 0.5 时，在一定时间内注浆压力的提高与浆液扩散的范围成正比例关系。图6研究了统计注浆压力为0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa时分别对扩散半径的影响，可知注浆压力在0.8～1 MPa区间上提高与注浆最大扩散半径的扩大成正比例关系，注浆压力大于1 MPa ，注浆最大扩散半径增大的速度变小，可以认为注浆压力在0.8～1 MPa的范围内为注浆工况最优值。

图6 不同注浆压力下扩散半径

4.2 水灰比对于注浆效果的影响

在固定注浆压力保持不变时研究改变水灰比对浆液扩散半径、耗浆量的影响十分有必要，由图7可知当注浆压力1.0 MPa时，水灰比为1:1的扩散速率、扩散半径要明显大于水灰比为0.5:1的指标，前者的最大扩散半径比后者提高约22.5%。水灰比为1:1的最终耗浆量要明显大于水灰比为0.5:1的指标，前者的最终耗浆量比后者降低约66.5%。表明水灰比大的浆液扩散半径更大，耗浆量更低。

图7 不同水灰比对于注浆效果的影响

5 结语

(1)随注浆时间延长，浆液扩散范围显著增大，在一定时间内注浆压力的提高与浆液扩散的范围成正比例关系。在0.8～1 MPa的注浆压力范围内为注浆工况最优值。

(2)当注浆压力1.0 MPa时，水灰比为1:1的最大扩散半径比水灰比0.5:1提高了约22.5%，最终耗浆量比后者降低约66.5%，表明水灰比大的浆液扩散半径更大，耗浆量更低。