高水头条件下管道裂隙浆液封堵机制试验研究

苏培莉， 刘 锋， 贾毅飞， 李 冲

(西安科技大学建筑与土木工程学院， 西安 710054)

注浆作为一项实用性非常强的工程技术，被广泛应用于隧道、矿山、地基处理等领域。注浆是将具有充填胶凝的浆液或化学溶液，按照规定的配比，依靠自重或通过注浆设备对其施加压力注入岩土体中，浆液以渗透、充填、劈裂或挤密的形式将松散破碎的岩土体胶结成整体，达到对岩土体加固、堵水等效果[1-2]。

由于煤岩体裂隙注浆施工隐蔽性较强，注浆后研究人员无法直接观测到浆液扩散情况并对注浆效果进行有效评判，因此只能借助室内试验展开浆液扩散规律研究。李术才等[3]、张霄[4-5]、张庆松等[6]基于自主设计可视化大比例裂隙动水注浆模拟实验系统，研究了平面裂隙动水注浆浆液扩散规律及沉积封堵机理；邢敏等[7]研究了浆液封堵裂隙水时水泥颗粒沉积机理和浆液注入动水压力场变化规律；刘军等[8]研究了动水条件下浆液扩散形态及注浆压力变化规律；张连震等[9]基于流体两相渗流理论建立注浆扩散数值模型，研究分析了浆液扩散规律及影响因素；郭佳奇等[10]通过搭建注浆流量和压力监测系统，进行了粉细砂地层注浆模型试验；谷拴成等[11]、李金华等[12]基于自主设计的流体力学综合试验平台，开展了煤岩体裂隙动水注浆试验；杨磊等[13]通过分析青岛地铁地质条件提出了联合注浆加固技术，并采用数值模拟加现场监测的方法分析、验证了浅埋隧道穿越施工时结构及地层的变形规律；王晓晨等[14]提出并验证了恒定注浆速率条件下考虑浆液析水作用的裂隙注浆计算方法；靳立创[15]设计了模拟粗糙单裂隙及裂隙网络动水注浆试验装置，研究了单一裂隙、裂隙网络下不同因素对浆液扩散及封堵的影响；孙光[16]基于自主设计的注浆试验平台，研究了不同深井静水压力下黏土水泥浆液在裂隙中扩散规律；郭密文等[17]基于自主设计的高压环境注浆试验系统，进行了高压条件下注浆浆液渗透扩散特征研究；张庆松等[18]、刘人太等[19-20]基于数值模拟软件及现场试验研究了动水条件下水泥-水玻璃及高聚物改性浆液在裂隙扩散规律。

上述学者通过理论分析、室内试验，展开了浆液扩散规律研究，为裂隙水害封堵理论的发展奠定了基础。但他们的研究主要针对静水或低水头裂隙水，而有关高水头条件下管道裂隙水封堵机制研究较少。基于此，现通过自主设计的可视化动水注浆试验平台开展相关试验，通过对浆液逆向扩散距离、沉积厚度进行监测，深入分析影响高水头管道裂隙浆液封堵因素及主次关系，以期为今后注浆工程的设计及提高施工质量提供相应指导。

1 注浆模拟试验装置及材料

1.1 试验装置

试验主要基于自主设计的可视化动水注浆试验平台进行，平台由管道型裂隙模拟系统、注浆控制系统、动水模拟系统、数据采集系统四部分组成。试验平台布置如图1所示。

(1)管道型裂隙模拟系统。管道型裂隙模拟系统由3节内径70 mm，长分别为3、1、1 m的透明亚克力管组成，不同管节间通过法兰及橡胶垫片密封连接。

(2)注浆控制系统及其工作原理。注浆控制系统如图2所示，系统主要由浆液搅拌机、手摇注浆泵及200 L储浆桶组成。注浆系统工作原理：储浆桶最底部预留小孔作为储浆桶出浆口，采用橡胶软管将小孔与手摇注浆泵入口相连，注浆泵出口同样通过软橡胶管与平台注浆孔相连。注浆泵依靠泵内曲柄进行工作，拉动曲柄时，注浆泵入浆口产生吸力，在吸力作用下浆液从储浆桶经由橡胶软管进入注浆泵中；再推动曲柄时，注浆泵中浆液在压力作用下通过出浆孔经由橡胶软管压入管道裂隙中，在力的作用下，曲柄如此往复工作，直至盛浆桶浆中浆液用完，注浆压力则通过推拉曲柄长短及泵上压力计实时反馈的数据进行实时控制。

图2 注浆控制系统Fig.2 Grouting control system

(3)供水系统。供水系统主要由储水桶组成，储水桶与1.5 kW单向自吸泵相连，电源接通后，自吸泵将储水桶中水压入管道以提供试验所需动水。

(4)数据采集系统。数据采集系统由平膜式压力变送器、无纸记录仪及电磁流量计组成。

1.2 试验材料

试验原料为秦岭水泥厂生产的普通硅酸盐水泥(PO.32.5R)，其具体参数如表1所示。

表1 水泥化学成分Table 1 Chemical composition of cement

2 试验因素及方案设计

影响管道裂隙注浆封堵效果的因素较多，为减小试验工作量并取得预期效果，此次试验采用正交法研究动水流速、水灰比和注浆压力3个较为典型的影响因素，每个因素又分别设置3个水平，以此模拟实际工况中不同因素及其水平对浆液扩散效果的影响。正交试验因素及水平设置如表2所示，正交试验方案如表3所示。

首先按照正交实验表配制相应水灰比浆液，具体配制方法如下：固定水泥用量，利用试验设定的水灰比计算、称量搅拌所需用水，称量完成后将水泥及水倒入盛浆桶中，用浆液搅拌机充分搅拌直至水泥与水充分混合无明显离析，此时浆液配制完成。然后将试验系统入水阀门打开，调整阀门开度并观察电磁流量计流速变化，待流速稳定在试验所需流速后开始注浆，盛浆桶中浆液消耗完后立即停止注浆。

表2 正交设计因素与水平Table 2 Factors and levels of orthogonal design

表3 正交试验表Table 3 Orthogonal experiment table

3 试验结果及分析

试验通过测量每组浆液逆向扩散距离及沉积厚度的方法来分析不同因素对高水头管道裂隙浆液封堵效果影响(图3)。具体测量方法如下：注浆结束后，继续保持原试验动水流速，待动水对沉积在管道底部浆液冲刷3 min后将入水阀门关闭，然后用游标卡尺量测距注浆口顺水流方向1 m处浆液高度作为浆液沉积厚度，量测注浆孔中心到浆液背水扩散最远处距离作为浆液逆向扩散距离。

图3 浆液逆向扩散距离及沉积厚度测量Fig.3 Measurement of slurry reverse diffusion distance and deposition thickness

3.1 高水头管道裂隙水泥浆液封堵主次因素分析

通过直观分析法研究了各因素及其水平对浆液封堵效果影响，试验结果如表4、表5所示。

表4 浆液沉积厚度极差分析表Table 4 Analysis of slurry deposition thickness

表5 浆液逆向扩散距离极差分析表Table 5 Analysis of slurry reverse diffusion distance

由表4、表5结果可知，影响高水头管道裂隙浆液沉积厚度、逆向扩散距离因素的主次关系均为：动水流速>水灰比>注浆压力。

图4 不同因素及水平对浆液沉积厚度和逆向扩散距离影响直观分析图Fig.4 Various factors influence of slurry deposition thickness and reverse diffusion distance

由不同因素及水平下浆液沉积厚度和逆向扩散距离影响直观分析图可知：

(1)浆液沉积厚度与注浆压力成正相关。注浆压力由0.1 MPa增加到0.2 MPa时，沉积厚度增大4%；当注浆压力增加到0.3 MPa，沉积厚度相比0.2 MPa时增加3.9%。注浆过程中，浆液主要依靠注浆压力及其自身重力在管道中沉积，注浆压力越大，浆液沉积及逆向扩散所需克服动水阻力越小，堆积厚度、逆向扩散距离就越大。注浆停止后，由于水泥颗粒还未完全凝结，部分逆向扩散浆液会被动水携带至注浆口下游，由于浆液厚度测量点位于注浆口下游，动水的冲刷也会略微增大浆液沉积厚度。因此，注浆压力越大，浆液堆积厚度也越大。

(2)逆向扩散距离随注浆压力的增加先显著增加而后比较平稳。当注浆压力由0.1 MPa增大到0.2 MPa时，逆向扩散距离增加13.92%，当注浆压力增大到0.3 MPa时，逆向扩散距离相比0.2 MPa时增加1.22%。增大注浆压力，有助于浆液在裂隙内扩散，当注浆压力由0.1 MPa增大到0.2 MPa时，浆液逆向扩散距离会显著增加。当注浆压力进一步增大至0.3 MPa时，浆液瞬时扩散距离会显著增大，但由于平台注浆孔距进水口(相比出水口)较近，浆液逆向扩散所需克服动水阻力随扩散距离的增加而增大，瞬时扩散的水泥颗粒来不及凝聚抵抗动水冲刷，大部分被水流携带流走。此外，增大注浆压力同样会增加水泥颗粒运动时间及管道底部已积聚水泥颗粒的运动概率，因此，随着注浆压力的进一步增大，逆向扩散距离并不会显著增加。

(3)水灰比越大，浆液沉积厚度越小。当水灰比从0.8增大到1.0时，沉积厚度减少14.49%；当水灰比增大到1.5时，沉积厚度相比水灰比为1.0时减少11.3%。水灰比越大，水泥颗粒沉积凝固所需时间越长，在动水冲刷下，未能在管道底部及时凝聚堆积的颗粒被动水携带流出管道，沉积厚度随之减小。

(4)浆液逆向扩散距离随着水灰比的增大呈现出先增大后减小。水灰比为0.8时，浆液流动性较差，加上水流对逆向扩散浆液的阻力，导致逆向扩散距离较小。当水灰比增加到1.0时，浆液黏度降低，流动阻力减小，逆向扩散距离增大。当水灰比增大到1.5时，浆液黏度降低，颗粒间凝聚力下降，浆液逆向扩散性能增强，同时，析水及凝结时间变长，水泥颗粒来不及沉降堆积抵抗水流冲刷，浆液逆向扩散距离就会减小。综上所述，随着浆液水灰比的增加，存在合理水灰比使得在一定注浆压力和动水流速下浆液扩散范围达到最大。

(5)动水流速增大，浆液沉积厚度和逆向扩散距离均显著降低。当动水流速由0.15 m/s增大到0.25 m/s，沉积厚度及逆向扩散距离分别减少16.9%、39.25%；当动水流速增大到0.35 m/s，沉积厚度及逆向扩散距离相比动水流速为0.25 m/s时分别减少15.88%、31.4%，动水流速对浆液沉积厚度和逆向扩散距离影响最为显著。分析原因，动水流速越大，水流冲刷力及携带颗粒能力越强，浆液沉积厚度和逆向扩散距离越小。

(6)封堵效果最优时各试验因素水平。注浆压力为0.3 MPa，水灰比为0.8，动水流速为0.15 m/s时，浆液沉积厚度达到最大；注浆压力为0.3 MPa,水灰比为1.0，动水流速为0.15 m/s时，浆液逆向扩散距离达到最大。

综上，实际工程进行浆液配比设计时，当浆液黏度满足扩散要求时，应当尽量减小水灰比以增强浆液抵抗动水冲刷能力，当水灰比严重影响浆液扩散效果时，可以通过适当增大注浆压力的方法以优化浆液封堵效果。

3.2 管道裂隙水泥浆封堵主要影响因素分析

上述分析表明，动水流速对浆液逆向扩散距离和沉积厚度影响最大，因此有必要深入研究动水对浆液沉积扩散的影响。固定水灰比为1.0及注浆压力为0.2 MPa，研究动水流速对管道裂隙水泥浆液封堵的影响，单因素试验设计如表6所示。

对试验结果进行整理，得到浆液沉积厚度、逆向扩散距离随动水流速变化趋势图，如图5所示。

由图5可知，注浆压力及水灰比一定时，浆液沉积厚度、逆向扩散距离同动水流速成反比关系。流速越大，水流冲刷及携带颗粒能力越强，浆液逆向扩散所受动水阻力越大，浆液沉积厚度和逆向扩散距离随水流减小幅度越明显。

动水流速对浆液逆向扩散距离影响相比沉积厚度更显著。动水流速从0.15 m/s增加到0.2 m/s，逆向扩散距离减小了16%，沉积厚度仅减少8%；当从0.25 m/s增加到0.3 m/s，逆向扩散距离减小了64%,沉积厚度减少了26%；当动水流速达到0.35 m/s时,浆液沉积厚度减少21%，浆液逆向扩散距离为0。

动水流速为0.35 m/s和0.55 m/s时，浆液逆向扩散距离及沉积厚度依次降为0，由此推断，当动水流速大于0.35 m/s时，对于纯水泥浆液封堵管道裂隙难度较大；当流速大于0.55 m/s时，对于纯水泥浆液封堵管道裂隙意义不大。

综上，工程中进行动水注浆封堵时，为使封堵效果达到最佳，首先应进行动水流速测定，当流速较低时，可以直接进行注浆封堵。当流速大于浆液堆积流速时，现场应当考虑在注浆前投入适量骨料，将流速降至适宜注浆封堵流速，再进行注浆加固。

表6 单因素试验表Table 6 Single factor experiment table

图5 不同流速下浆液沉积厚度和逆向扩散距离Fig.5 Slurry deposition thickness and reverse diffusion distance at different flow rates

4 结论

(1)基于自主研发的可视化动水注浆试验平台，采用正交试验展开了水灰比、注浆压力及动水流速对注浆封堵效果研究。结果表明，影响封堵效果主次因素依次为：动水流速，水灰比，注浆压力。

(2)通过分析各因素水平影响直观分析图得出浆液沉积厚度及逆向扩散距离同注浆压力大小呈正相关、同动水流速呈负相关。

(3)随着水灰比的增大，注浆压力对浆液逆向扩散距离及堆积厚度的增长作用减小。存在合理水灰比，使注浆压力对浆液沉积厚度和浆液逆向扩散距离达到最大。

(4)通过单因素试验深入分析了水流对封堵效果的影响。结果表明，浆液逆向扩散距离相比沉积厚度对动水流速变化更加敏感。当动水流速大于0.55 m/s时，纯水泥浆液封堵管道裂隙意义不大。