基于UDEC的裂隙岩体注浆参数研究

2020-07-01廖志煌闫思泉曾志全韩华超邱士利

江苏科技信息 2020年14期

廖志煌，闫思泉，曾志全，韩华超，邱士利，李平

（1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450000；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014；4.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉 430071；5.中南民族大学化学与材料科学学院，湖北武汉 430074）

0 引言

建设中人们经常在含劣质岩的破碎地层中修建隧道的工程，当隧洞下穿外水源强透水地层的直接后果是地表水源通过渗流或径流通道倒灌到施工隧洞中形成涌水灾害［1］，直接威胁工程安全。此外，渗透压的变化有直接影响隧洞支护系统的稳定性［2］。为了加固围岩和控制水动力场的不利影响，施工中需要采用固结灌浆的方式处理隧洞上层围岩。

固结灌浆可提高围岩稳定性，使相关岩土地层达到工程实践的要求，其在路桥隧洞、矿业、建筑等行业中的使用达200多年历史［3］。众多学者对注浆问题进行了研究，但更多的是关于固结灌浆对岩体力学参数的改善。

针对浆液在劣质岩体裂隙中的扩散规律研究，赵林［4］通过数值模拟，得出注浆的扩散范围随注浆时闻加长而快速增长，然后趋于平稳；节理越长，岩体的可灌性越好、浆液范围越大、注浆结束时间越短。朱明听等［5］认为浆液注浆效果受注浆压力，注浆孔直径，水力开度影响。赵磐［6］基于线性源理论，模拟了浆液的扩散过程，推导出渗透注浆浆液扩散公式。范佳俊［7］通过数值模拟灌浆效果受注浆压力，水灰比，水力开度，节理的角度、间距、迹长影响。王强等［8-9］通过数值模拟得出注浆压力，水灰比，水力开度对注浆扩散范围起到主导作用；注浆压力，注浆管长度和裂隙开度对注浆量起到主导作用。O.Saeidi等［10-11］认为注浆的扩散范围主要受注浆压力，水灰比，水力开度，节理的角度、间距、迹长，摩擦角的影响。Ali Mortazavi［12］结合伊朗某大坝地质，通过数值模拟系统地分析灌浆效果受注浆压力、水灰比、水力开度、节理角度、间距、迹长、摩擦角的影响。

国内外学者对浆液在岩体扩散规律进行了大量研究，但多为基于单钻孔中的水平裂隙的情况。结合工程实践中的地质分层，进行分层多孔注浆的研究仍然缺乏。结合地层特质和浆液自身属性，以此改善注浆的设计参数，保证注浆效果。固结灌浆设计参数需要注浆相关理论的指导。因此本文将依托鄂北地区水资源配置有关工程实测资料，结合工程实践中的地质分层，进行分层多孔注浆模拟，揭示固结灌浆参数与该地区注浆效果增量的控制关系，并提出相关注浆设计参数。

1 UDEC基本原理

UDEC关于流体流动的类型分为完整岩体和结构面。本文探讨的是浆液在裂隙岩体中扩散情况，只考虑浆液在裂隙中流动。所以结合UDEC的优点，设定完整岩体本身对浆液不渗透进行数值模拟。基于UDEC进行模拟岩体内部浆液流动为渗流应力耦合计算，属于非连续性介质。

1.1 浆液流动计算

流体流动在UDEC的数值模拟中，利用裂隙网络将整个系统划分成多个区域，通过阐述裂隙里的流体的流动状态来定义。这多个区域中含有流体，每个区域之间的接触方式也不尽相同，导致流体流动的描述方式也不同。存在着边接触和点接触两种接触方式。

1.1.1 点接触

点接触给出了压力为p1的区域到压力为p2的区域的流量。

KC为接触的渗透系数；ρw是流体密度；y1，y2分别为各区域的中心坐标。

1.1.2 边边接触

边与边的方式，即浆液所在区域中，通过离散块体边进行接触。流体流量使用压力差进行计算，不考虑流体黏度时变特性，公式如（3）所示。

kj为裂隙渗透系数；a是相邻区域边与边的孔径；l是接触区域间距离。

1.2 裂隙内浆液压力的计算

在数值模拟计算中，通过对每一步的时间步长计算结果，重新确定新的数值和模型的几何结构。根据公式（3），计算流体的流量。

其中ΔVf为浆液在区域内体积增量，∑q为浆液在裂隙岩体的总流量，Δtf为浆液时间步长。在流体计算的过程中，UDEC将会对新生成区域反复计算，然后计算公式依据不同的接触形式得到流体通过各个接触点的流量，以及流入不同区域的总流量。因为体积变化量是不同区域由应力变化所导致的，通过计算公式求得各个区域内流入流体的压力如公式（5）所示［13］。

其中，p0为区域内原有的压力；Q为流入区域中地下水的总流量；ΔV=V-V0，Vm=(V0+V)/2，V0和V分别为区域内原来的体积和现在的体积；kw是浆液体积模量。

2 工程背景

鄂北水资源配置工程是国家政府规划实施的重要民生工程。该工程隧洞沿线地层有多处劣质岩地层，地层分布较为复杂。隧洞施工与地表耦联性强。隧洞埋深浅，上覆厚度最薄处仅21 m，隧洞近距离下穿20多个堰塘、河流以及数个村庄，当隧洞开挖至该洞段时，极易导致水动力与围岩力学响应耦合形成隧洞冒顶或掌子面塌方，甚至形成通天式烟囱型破坏和地面陷落，直接威胁工程安全。由此带来诸多工程灾害，给工程设计与施工技术带来了巨大挑战和难题。然而抗渗防水甚至排水设计等是个非常复杂且系统的科学课题，不但与工程地层分布规律和强透水层结构密切相关，还涉及施工密切相关的控制措施的耦合作用。因而，结合当地地质条件，提出相关设计参数，是解决鄂北地区水资源配置工程杜家河段引水隧洞地下水下渗影响围岩稳定性问题的关键。

3 建立数值模型

本文基于UDEC建立宾汉浆液渗流模型，进行数值模拟。根据鄂北地区水资源配置工程中杜家河地段的实际地质情况，通过杜家河位置条件和工程问题结合，进行现场取样工作，如图1所示。杜家河边取样位置选取一个位于两个注浆孔之间（1号位），一个位于距离注浆孔30 cm处（2号位），在两处各设置一个深孔，对取出土样的分析，可划分为沙砾层、全风化层、强风化层、弱风化层。在模拟中我们统一将地层从上至下分为沙砾层（0～-4 m）、全风化层（-4 m～-8.5 m）、强风化层（-8.5 m～-10.5 m）、弱风化层（-10.5 m～-50 m）。通过对取样结果进行相关试验获得部分试验数据，结合《工程地质手册》［14］实测数据以及数据库资料，设定裂隙开度为0.1 mm，输入不同地层的岩体参数，如表1所示。

在杜家河实际工程中位多注浆孔，而UDEC是二维模拟软件，在二维中可使用双注浆孔模拟得出多注浆孔结论。利用VORONOI随机裂隙网络模型构建岩体裂隙节理,依此建立一个长110 m，深50 m大小的模型。灌浆孔直径为10 cm，由地面延伸至地下19 m处在10～19 m深处进行注浆模拟，设置双注浆孔。注浆孔间距设置10 m时，模型如图2所示。

4 数值模拟

为了评估双注浆孔间距在不同的注浆压力、浆液水灰比情况下的注浆效果，设定不同的注浆孔间距参数（4 m、6 m、10 m、14 m），不同的注浆压力参数（0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、4 MPa），不同的浆液水灰比参数（0.4、0.5、0.6、0.7、1）。设计100个数值模拟模型进行模拟，所得的部分模型注浆范围如图3所示。