松軟地層灌漿參數(shù)細(xì)觀數(shù)值模擬研究

閆 冬 張貴金

（長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院 長沙市 410114）

1 概 述

松軟地層的巖土體結(jié)構(gòu)松散，顆粒間空隙度大，易破壞、易水化，穩(wěn)定性差，對(duì)其灌漿防滲以壓密灌漿和劈裂灌漿為代表，一般表現(xiàn)為先壓密后劈裂，邊劈裂，邊滲透的動(dòng)態(tài)注漿過程。美國最早應(yīng)用的C.C.G控制壓密灌漿法，不適宜淺層和透水性低的粘土層。松軟地層劈裂灌漿，由于串漿、灌漿不起壓問題突出，很難形成均勻有界的加固體和實(shí)施有效的控制灌漿[1]。對(duì)松軟地層防滲灌漿，要實(shí)現(xiàn)“可灌可控”，除了改進(jìn)灌漿材料、灌漿工藝，確定合理的灌漿壓力、灌漿量等控制參數(shù)非常重要。

松軟地層注漿擴(kuò)散過程模擬表明，一部分注漿壓力損耗于劈開土體，剩余部分用來克服裂縫中漿液的流動(dòng)，兩部分壓力導(dǎo)致最終出現(xiàn)不均勻裂縫寬度（鄒金鋒等，2006）[2]。受劈裂注漿的裂隙發(fā)展，注漿壓力是在一定范圍內(nèi)起伏波動(dòng)的[3]，劈裂灌漿裂縫擴(kuò)展距離可視為漿液擴(kuò)散半徑。對(duì)低孔隙率的巖土介質(zhì)（即不考慮圓形顆粒間的孔隙），基于顆粒流方法可以較好地模擬注漿過程[4]，研究表明，漿體壓力的滲透距離略大于土體裂紋的擴(kuò)展范圍[5]，有效注漿半徑與球形擴(kuò)散理論計(jì)算值基本一致[6]。要確定灌漿強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)，須抓主要矛盾，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，綜合判斷分析[7,8]。

本文以托口水電站河灣地塊深厚松軟紅層防滲灌漿工程實(shí)例為背景，采用基于細(xì)觀散體介質(zhì)理論的顆粒流方法，模擬松軟巖土體灌漿得到起劈和極限劈裂壓力，以及漿液擴(kuò)散界限，探索孔深、巖土體性質(zhì)、灌漿參數(shù)之間的關(guān)系。

2 計(jì)算案例

2.1 工程簡介

托口水電站位于湖南省洪江市境內(nèi)，為一等大（Ⅰ）型，總庫容 13.84×109m3，電站總裝機(jī)容量 830 MW，多年平均發(fā)電量 2.131×109kW·h。樞紐建筑物由東游祠主壩、王麻溪副壩、河灣地塊防滲工程三部分組成。其中河灣地塊防滲帷幕鉆孔深度83～145 m，灌漿進(jìn)尺約1.8×105m，其中松軟紅層及透水礫巖層在平洞內(nèi)平均約80 m孔深。

（1）宏觀參數(shù)的選取。

根據(jù)托口河灣地塊的地層特性，參考類似工程，地層宏觀力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 地層宏觀力學(xué)參數(shù)

（2）微觀參數(shù)的選取。

根據(jù)地層的宏觀參數(shù)，經(jīng)過大量的數(shù)值雙軸試驗(yàn)，選取對(duì)應(yīng)的微觀參數(shù)，其中粉砂泥巖、礫巖取值見表2。

表2 主體地層微觀計(jì)算參數(shù)

2.2 細(xì)觀數(shù)值模擬

（1）模型生成。

首先生成長寬相同的正方形土顆粒骨架模型，尺寸為20 m×20 m。顆粒半徑R的設(shè)置采用從Rmin到Rmax均勻分布。將四個(gè)邊界上的顆粒固定，以確定不排水邊界。通過調(diào)用PFC2D內(nèi)置函數(shù)庫中的函數(shù)建立流固耦合模型。計(jì)算模型見圖1。將灌漿孔選在模型中心，由灌漿孔到模型各個(gè)邊界的距離為10 m，忽略邊界約束條件的影響。

圖1 流固耦合顆粒模型圖

（2）地層深度模擬。

模型建立過程中通過調(diào)用isostr函數(shù)，對(duì)模型內(nèi)部的顆粒半徑進(jìn)行同比縮放調(diào)整，使模型內(nèi)部側(cè)向應(yīng)力達(dá)到預(yù)定值。在施加灌漿壓力的過程中，模型的側(cè)向應(yīng)力始終保持一個(gè)恒定值。

（3）測(cè)量系統(tǒng)的布置。

在模型中設(shè)置三套測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模擬過程進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。第一套測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)同心測(cè)量圓組成，其圓心在模型中心，半徑依次為1.0 m，3.0 m，5.0 m；第二套測(cè)量系統(tǒng)從模型中心沿X軸正方向布置，每組3個(gè)，半徑為1.0 m；第三套測(cè)量系統(tǒng)從模型中心沿Y軸正方向布置，每組2個(gè)，半徑為2.0 m。具體布置見圖2。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）灌漿時(shí)間對(duì)漿體擴(kuò)散的影響。

在孔深為30 m，灌漿壓力為2 MPa條件下，隨灌漿時(shí)間的增加，巖層中灌漿壓力變化分布和裂縫擴(kuò)展情況如圖3所示。圖中圓點(diǎn)表示流體域內(nèi)的灌入漿體壓力分布，不同半徑的圓代表不同大小的壓力，半徑越大，壓力越大。線段表示土體劈裂形成的裂縫，線段越長，裂縫越長。漿體的擴(kuò)散情況可通過灌漿壓力的分布及裂縫的擴(kuò)展半徑來反映。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)布置圖

圖3 漿體壓力及裂縫擴(kuò)展范圍隨時(shí)間變化情況

分析可知，劈裂灌漿的過程是壓密、劈裂、再壓密，再劈裂的過程，其中滲透灌漿伴隨全過程，即壓密、劈裂、滲透三種灌漿方式協(xié)同作用。開始階段（step為100～500），漿體滲透進(jìn)入到地層中較大孔隙，通過擠密作用壓實(shí)土體。當(dāng)灌漿壓力大于起劈壓力時(shí)，顆粒黏結(jié)被破壞，巖土體產(chǎn)生明顯裂隙。隨灌漿時(shí)間的增加（step為500～2 000），裂縫向四周擴(kuò)散，數(shù)量不斷增多，范圍不斷增大，漿體在地層中產(chǎn)生劈裂流動(dòng)，擴(kuò)散范圍隨之增大。經(jīng)劈裂灌漿后（step為2000～7000），裂縫被漿體充填，地層得到擠密，隨著更多漿體的注入，三種灌漿方式會(huì)再次作用于巖土體，直到灌漿結(jié)束。劈裂裂縫的最終擴(kuò)展半徑即為漿體的擴(kuò)散半徑。

巖土體孔隙率可作為檢驗(yàn)灌漿效果的重要指標(biāo)。分析第一組監(jiān)測(cè)圓1、2、3測(cè)得的孔隙率變化情況（圖4），由于壓密作用及劈裂作用，孔隙率總體呈現(xiàn)不斷增大的規(guī)律。由測(cè)量圓1可知，在劈裂灌漿階段，由于裂縫的產(chǎn)生，孔隙率會(huì)突然增大，漿體進(jìn)入裂隙加大了裂縫寬度，孔隙率從14%增大到24.4%，說明灌漿孔周圍1 m內(nèi)范圍得到了較好的灌注。第二、三組監(jiān)測(cè)圓測(cè)得的孔隙率減小（圖5），說明該區(qū)域受到了壓密作用。水平方向和垂直方向的孔隙率都變小，說明灌漿壓密均勻。

圖4 第1組監(jiān)測(cè)范圍巖土體孔隙率變化

圖5 第2、3組監(jiān)測(cè)圓范圍巖土體孔隙率變化

（2）不同灌漿壓力下漿體的擴(kuò)散規(guī)律。

圖6為孔深為50 m、灌漿時(shí)間為7 000時(shí)步條件下， 灌漿壓力分別為 0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa時(shí)的裂縫擴(kuò)展情況。當(dāng)灌漿壓力為0.5 MPa時(shí)，顆粒間出現(xiàn)拉應(yīng)力，但由于灌漿壓力較小未達(dá)到起劈壓力，不足以破壞顆粒黏結(jié)形成裂縫，此時(shí)的灌漿主要以滲透灌漿和壓密灌漿為主。當(dāng)灌漿壓力為1.0 MPa時(shí)，巖土體出現(xiàn)裂縫，說明灌漿壓力達(dá)到了起劈壓力，破壞了顆粒間黏結(jié)，產(chǎn)生劈裂。當(dāng)以更大的灌漿壓力灌注時(shí)，裂縫產(chǎn)生的速度與數(shù)量都明顯增大，漿體的擴(kuò)散半徑也隨之變大。漿體的最大擴(kuò)散半徑隨灌漿壓力的增大從1.8 m增加到4.2 m。當(dāng)灌漿壓力達(dá)到4.0 MPa時(shí)，巖土體出現(xiàn)大量裂縫，說明過大的灌漿壓力會(huì)對(duì)地層造成嚴(yán)重破壞，此時(shí)的灌漿壓力定義為極限灌漿壓力。不同灌漿壓力下的漿體擴(kuò)散半徑見表3。

圖6 壓力及裂縫擴(kuò)展范圍隨灌漿壓力變化情況

表3 不同灌漿壓力下的漿體擴(kuò)散半徑（圍壓為1.0 MPa）

（3）不同深度條件下漿體的擴(kuò)散規(guī)律。

灌漿壓力為1.5 MPa、灌漿時(shí)間為7 000時(shí)步條件下，孔深分別為30 m、50 m、80 m對(duì)應(yīng)得地層深度時(shí)的灌漿壓力變化和裂縫擴(kuò)展情況見圖7。可知，在同樣的灌漿壓力作用下，隨孔深加大，產(chǎn)生裂縫的數(shù)量和范圍減小，漿體最大擴(kuò)散半徑從2.9m減小到2.0 m。當(dāng)灌漿深度為80 m時(shí)，巖土體出現(xiàn)微小裂縫但不能發(fā)生劈裂灌漿。

通過對(duì)不同孔深施加不同灌漿壓力的灌漿效果進(jìn)行模擬，得出不同巖層的起劈壓力、極限灌漿壓力及對(duì)應(yīng)的漿體擴(kuò)散范圍見圖8、圖9，數(shù)值見表4。可知地層越深，土體的起劈壓力越大，漿體的擴(kuò)散距離與地層深度及灌漿壓力密切相關(guān)。

表4 顆粒流模擬結(jié)果

圖7 不同深度下的漿體擴(kuò)散半徑

圖8 不同孔深地層在起劈壓力作用下的灌漿效果

圖9 不同孔深地層在極限灌漿壓力作用下的灌漿效果

3 小 結(jié)

（1）基于工程地質(zhì)勘探，獲得有限的巖土體基本物理力學(xué)參數(shù)，通過對(duì)不同地層、不同孔深的細(xì)觀數(shù)值研究，得到灌漿控制參數(shù)的區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)，為不同工程背景提供合理的灌漿控制參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工提供參考，也可作為選擇灌漿方案、合理設(shè)置孔排距的重要依據(jù)，這一思路是可行的。

（2）松軟地層防滲灌漿要達(dá)到效果，必須確保最低灌漿壓力，控制最大灌漿壓力。低于起劈壓力，只會(huì)在孔周產(chǎn)生滲透和壓密效應(yīng)，有效防滲范圍有限，但超過極限灌漿壓力，又會(huì)產(chǎn)生串漿、冒漿，造成無效灌注，甚至安全事故。

（3）顆粒流方法尚未考慮的因素，包括高孔隙率的巖土介質(zhì)、顆粒比差異性顯著的各向異性巖土受灌體、不同漿材及其流變特性、以及灌漿壓力的波動(dòng)特性等的模擬。

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