變態(tài)混凝土漿液擴(kuò)散規(guī)律及注漿孔對(duì)比試驗(yàn)研究

孫 琰，莫世遠(yuǎn)，張營(yíng)營(yíng)，辛 欣

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

變態(tài)混凝土漿液擴(kuò)散規(guī)律及注漿孔對(duì)比試驗(yàn)研究

孫 琰，莫世遠(yuǎn)，張營(yíng)營(yíng)，辛 欣

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

變態(tài)混凝土成孔注漿的擴(kuò)散規(guī)律是碾壓混凝土壩迎水面中注漿孔設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本文通過(guò)對(duì)變態(tài)混凝土拌合物進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，然后建立數(shù)值計(jì)算模型，應(yīng)用FLUENT軟件模擬漿液的滲透流動(dòng)，計(jì)算了單排孔注漿和雙排孔注漿模式下，漿液隨計(jì)算時(shí)間進(jìn)程的擴(kuò)散半徑，分析了注漿漿液擴(kuò)散半徑與時(shí)間的關(guān)系，以及注漿量與時(shí)間的關(guān)系，總結(jié)了漿液擴(kuò)散的規(guī)律，選出適合的注漿管小孔布置，并運(yùn)用到具體的工程實(shí)例予以驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明注漿漿液擴(kuò)散半徑的檢測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算模擬結(jié)果基本相符，其對(duì)類似注漿工程中注漿方案的確定具有一定的借鑒意義。

變態(tài)混凝土；注漿孔；數(shù)值計(jì)算；擴(kuò)散半徑

碾壓混凝土壩具有施工快、工期短、節(jié)約水泥用量等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)水利工程的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，碾壓混凝土壩筑壩工藝和質(zhì)量在不斷提高[1]。變態(tài)混凝土的應(yīng)用雖解決了壩體一些部位無(wú)法采用振動(dòng)碾壓的施工問(wèn)題，但變態(tài)混凝土注漿技術(shù)中仍存在不少急需研究并予以解決的問(wèn)題[2]，其中就包含變態(tài)混凝土的漿液擴(kuò)散問(wèn)題。影響漿液擴(kuò)散的因素包括注漿壓力大小、漿液參數(shù)、混凝土拌合物參數(shù)、單孔注漿量等因素，若想準(zhǔn)確分析漿液滲透規(guī)律，需要針對(duì)各參數(shù)對(duì)漿液滲透影響進(jìn)行研究。在工程實(shí)際中，若能準(zhǔn)確的掌握漿液擴(kuò)散規(guī)律，將非常有助于進(jìn)行合理的注漿設(shè)計(jì)與施工安排，會(huì)大大節(jié)省工程成本，提高注漿效率和準(zhǔn)確率[3-4]。

本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)變態(tài)混凝土注漿漿液進(jìn)行滲透機(jī)理研究，在僅考慮混凝土配合比對(duì)漿液滲透的影響下，將對(duì)稱分布的單排孔、雙排孔布置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)與分析，選出合適的孔徑布置方式，不僅能指導(dǎo)注漿設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，還能指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)的注漿工作，在變態(tài)混凝土快速施工中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 注漿模型漿液擴(kuò)散研究

利用FLUENT模擬變態(tài)混凝土注漿漿液流動(dòng)，首先需要建立模型、定義邊界條件、劃分網(wǎng)格，然后在FLUENT軟件里進(jìn)行求解設(shè)置，最后進(jìn)行結(jié)果顯示和處理[5-6]。

注漿施工中漿液的擴(kuò)散是漿液在拌合物的孔隙中驅(qū)趕里面空氣的過(guò)程，采用FLUENT模擬時(shí)，將RCC拌合物視為多孔介質(zhì)。漿液最后擴(kuò)散范圍圖中的中間顏色區(qū)域?yàn)闈{液體積分?jǐn)?shù)為1的區(qū)域，即為漿液擴(kuò)散的范圍；其它顏色部分漿液的體積分?jǐn)?shù)為0，即為未擴(kuò)散到該區(qū)域(可參見(jiàn)圖4、圖6)。

1.1 變態(tài)混凝土注漿數(shù)值模型

1.1.1 計(jì)算模型

建立數(shù)值模型是求解的基礎(chǔ)，利用GAMBIT建模。在變態(tài)混凝土注漿施工中，首先需要在碾壓混凝土拌合物中成孔，然后開(kāi)啟注漿設(shè)備開(kāi)關(guān)開(kāi)始注漿。變態(tài)混凝土注漿模型如圖1所示，漿液從注漿頭上面中間的圓孔進(jìn)入注漿管，在壓力作用下，漿液從下面的側(cè)面注漿小孔注入到碾壓混凝土拌合物中。

圖1 變態(tài)混凝土注漿模型

圖1為變態(tài)混凝土注漿模型，尺寸選取為500 mm×350 mm，介質(zhì)為多孔介質(zhì)(碾壓混凝土拌合物)。

對(duì)圖1的注漿模型進(jìn)行模擬分析時(shí)，考慮整個(gè)流場(chǎng)的對(duì)稱性，本文選取流場(chǎng)的1/4進(jìn)行分析，這樣可以減少計(jì)算的工作量。計(jì)算分析網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算分析網(wǎng)格

1.1.2 邊界定義

鑒于注漿模型邊界的特點(diǎn)和漿液流動(dòng)的性質(zhì)[5]，入口邊界選擇壓力入口，出口邊界選擇壓力出口，這樣計(jì)算容易收斂。根據(jù)注漿模型和邊界類型，邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 邊界條件設(shè)置

表1中的fluid-air，fluid-porous為區(qū)域邊界，可以在FLUENT里面進(jìn)行流場(chǎng)性質(zhì)的設(shè)定，inlet和outlet為進(jìn)出口壓力邊界，symm1和symm2為模型左右側(cè)截面。

1.1.3 計(jì)算步驟

根據(jù)建立的模型，把網(wǎng)格劃分和邊界定義好以后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT里面進(jìn)行模擬分析和結(jié)果顯示。根據(jù)FLUENT軟件求解流程，模擬分析采用如下參數(shù)設(shè)置及計(jì)算步驟[5]：

(1)求解設(shè)置

表2 求解設(shè)置

(2)迭代設(shè)置

由于在計(jì)算之前，不清楚流場(chǎng)中的特征速度，采用嘗試法估計(jì)時(shí)間步長(zhǎng)。設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，迭代5000步，即模擬5 s內(nèi)的流動(dòng)。每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)最多迭代20次。設(shè)置好后，開(kāi)始迭代計(jì)算，隨著迭代計(jì)算的進(jìn)行，可以從錄像中看到漿液的變化。

1.2 注漿方案比選

在變態(tài)混凝土設(shè)備研發(fā)中，為了研究設(shè)備的注漿效果，注漿管上的注漿小孔設(shè)置中采取了兩種注漿方案，分別采用了單排孔注漿和雙排孔注漿。因此，對(duì)不同的方案進(jìn)行漿液擴(kuò)散分析，從模型擴(kuò)散分析上得到更好的注漿方案。

1.2.1 單排孔注漿

注漿管的單排孔設(shè)置見(jiàn)圖3，一周4個(gè)孔，對(duì)稱布置。按照前面所述的設(shè)置及計(jì)算步驟，模擬得到不同時(shí)刻的漿液擴(kuò)散情況如圖4所示。

圖3 單排孔平面圖(單位：mm)

圖4 單排孔注漿的漿液擴(kuò)散情況

由圖4可以看到，在第1 s時(shí)刻，漿液開(kāi)始注漿擴(kuò)散，由于注漿設(shè)備有一定的緩沖時(shí)間，漿液擴(kuò)散較少；第2 s時(shí)刻，按照球形理論擴(kuò)散，效果較好，擴(kuò)散較快；第3 s時(shí)刻，擴(kuò)散較快，按照柱形理論擴(kuò)散，由于設(shè)置的混凝土表面是邊界，漿液有向上擴(kuò)散的現(xiàn)象，但在現(xiàn)實(shí)注漿過(guò)程中，此為冒漿行為；第4 s時(shí)刻，漿液擴(kuò)散較慢，說(shuō)明注漿漿液快要達(dá)到極限擴(kuò)散能力。

由以上分析說(shuō)明，注漿數(shù)值模型在漿液擴(kuò)散第2 s時(shí)刻效果最好。在實(shí)際注漿過(guò)程中，應(yīng)保持此狀態(tài)，并調(diào)整注漿參數(shù)滿足注漿要求。

1.2.2 雙排孔注漿

注漿管的雙排孔設(shè)置見(jiàn)圖5，一周4個(gè)孔，對(duì)稱布置。按照前面所述的設(shè)置及計(jì)算步驟，模擬得到的不同時(shí)刻的漿液擴(kuò)散情況如圖6所示。

由圖6可以看到，雙排孔跟單排孔最大的區(qū)別在于第1 s時(shí)刻和第2 s時(shí)刻，后面的注漿效果差別不大。雙排孔的在第1 s是兩排孔同時(shí)注漿，更容易擴(kuò)散，在實(shí)際工程注漿過(guò)程中，為了滿足不冒漿的條件，雙排孔漿液擴(kuò)散效果明顯優(yōu)于單排孔。

圖5 雙排孔平面圖(單位：mm)

圖6 雙排孔注漿的漿液擴(kuò)散情況

2 雙排孔注漿試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的真實(shí)性，變態(tài)混凝土注漿設(shè)備的注漿效果，在某水電站變態(tài)混凝土注漿施工過(guò)程中，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了漿液在變態(tài)混凝土中的擴(kuò)散檢測(cè)試驗(yàn)，攤鋪?zhàn)儜B(tài)混凝土?xí)r預(yù)埋設(shè)傳感器，現(xiàn)場(chǎng)注漿及檢測(cè)如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)注漿及漿液檢測(cè)圖

根據(jù)變態(tài)混凝土施工要求，分別選取碾壓混凝土二級(jí)配和三級(jí)配，碾壓混凝土拌和物配合比見(jiàn)表3，變態(tài)混凝土漿液配合比見(jiàn)表4。通過(guò)粒徑計(jì)算，試驗(yàn)采用的二級(jí)配平均顆粒直徑為1.24 cm，三級(jí)配平均顆粒直徑為2.09 cm；水泥漿液配合比統(tǒng)一，水膠比為0.5，變態(tài)混凝土漿液方量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求，做5%的加漿量；注漿壓力根據(jù)注漿設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)置，分別選擇1.5 MPa、1.6 MPa、1.7 MPa、 1.8 MPa、1.9 MPa及2.0 MPa；雙孔注漿量采用2 L和3 L。

表3 碾壓混凝土現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)混凝土參數(shù)表

表4 變態(tài)混凝土漿液配合比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況，檢測(cè)得到現(xiàn)場(chǎng)漿液擴(kuò)散半徑結(jié)果，并與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。具體如圖8、圖9所示。

圖8 二級(jí)配碾壓混凝土擴(kuò)散半徑計(jì)算值與檢測(cè)值對(duì)比

圖9 三級(jí)配碾壓混凝土擴(kuò)散半徑計(jì)算值與檢測(cè)值對(duì)比

通過(guò)圖8、圖9的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)部分現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)值偏小，由于現(xiàn)場(chǎng)條件并非完全理想狀態(tài)，剛注漿后漿液還未完全擴(kuò)散，注漿壓力較小時(shí)，擴(kuò)散自然就比較慢，注漿壓力較大，擴(kuò)散自然就快些。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算獲得的擴(kuò)散半徑與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的擴(kuò)散半徑比較接近，它們的誤差最大值均在5%范圍內(nèi)。另外，本試驗(yàn)使用的傳感器只能檢測(cè)到厘米一級(jí)，因此存在一些誤差。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)變態(tài)混凝土組合物的特性及不同的注漿小孔方案，本文采用FLUENT多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬漿液的滲透流動(dòng)。對(duì)比分析了不同注漿管小孔的漿液擴(kuò)散情況，雙排孔擴(kuò)散效果較好，因此，在變態(tài)混凝土注漿設(shè)備的注漿管小孔選型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇雙排孔。

(2)在某水電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，并將變態(tài)混凝土注漿試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的結(jié)果與模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出檢測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果基本相符，可以作為注漿設(shè)備的漿液擴(kuò)散參數(shù)。將求得的參數(shù)輸入到設(shè)備上，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的不同情況，調(diào)整注漿孔的間排距，以滿足注漿擴(kuò)散要求。

[1] 邵力群,王志剛,李澤民.碾壓混凝土壩中變態(tài)混凝土施工研究[J].人民黃河,2004(6):44-45.

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變 更 啟 事

2015年4月，經(jīng)黑龍江省新聞出版廣電局審核，國(guó)家新聞出版廣電總局批準(zhǔn)，由黑龍江省水利廳主管和主辦的《水利天地》進(jìn)行了系列變更：主辦單位由黑龍江省水利廳變更為黑龍江省水利科學(xué)研究院，刊名由《水利天地》變更為《黑龍江水利》，刊號(hào)由CN 23-1031/TV、ISSN 1002-3305變更為CN 23-1594/TV、ISSN 2096-0506。

2015年6月《黑龍江水利》正式創(chuàng)刊出版，為月刊。 《黑龍江水利》全體人員有信心為作者及讀者做好服務(wù)，期望大家對(duì)本刊繼續(xù)給予關(guān)心和支持。

Metamorphic concrete grout diffusion regularity and grouting hole contrast test research

SUN Yan，MO Shiyuan，ZHANG Yingying，XIN Xin

(CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

The diffusion law of Metamorphosis concrete into the hole grouting is the important basis of the positive side of the roller compacted concrete dam grouting hole design.Based on a simple analysis about metamorphosis concrete composition,and then create numerical models,using FLUENT software to simulate the penetration of the slurry flow,calculating the slurry diffusion radius of single and double row of holes patterns over the time course,analyzing the relationship between the grout diffusion radius and time and the relationship between grouting quantity and time,summarizing the laws of grouting diffusion,selecting the optimum aperture disposed of grouting pipe,and apply to the specific project examples to be verified,verification results show that the grout diffusion radius of test results and numerical models results are consistent.It has a certain significance for similar grouting project to choice grouting scheme.

metamorphic concrete；grouting hole；numerical calculation；diffusion radius

孫 琰(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗こ淌┕ぜ夹g(shù)與組織管理。E-mail：1171824169@qq.com

TV543+.15

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2096-0506(2015)05-0017-06