巖溶地區注漿擴散半徑理論計算研究

文/江永華 浙江省送變電工程公司 浙江杭州 310000

巖溶地區注漿擴散半徑理論計算研究

文/江永華 浙江省送變電工程公司 浙江杭州 310000

本文基于波依塞維爾斯平面流體理論，并結合原杭州220kV變電站站址地質概況及采用的注漿方法，得出該工程巖溶注漿擴散半徑的計算公式，分析表明：通過計算公式得出的擴散半徑值與試注漿后現場取樣結果較相近，說明該計算公式合理且適用于該工程場地注漿擴散半徑的計算；注漿擴散半徑R的平方與注漿壓力成正比，與水泥漿液粘度成反比；當水灰比不變時，R值的增大速率隨注漿壓力的增大而減少；當注漿壓力不變時， R值的減小速率隨水泥漿液粘度的增大而減小；結合地質巖溶發育情況，可以從中尋找最適合該工程或類似地層條件的注漿壓力及水泥漿液水灰比，使其注漿效果更經濟、合理、準確。

巖溶；注漿擴散半徑；注漿壓力

本文基于波依塞維爾斯平面流體理論[1-2]，推導出在溶巖地區注漿擴散半徑的計算公式，結合本工程的地質概況和試注漿情況，得出該工程場地注漿擴散半徑的計算公式，并通過與試注漿擴散半徑對比和分析該地區巖溶注漿擴散半徑與注漿壓力和水泥漿的水灰比（漿液粘度）的關系，認證了該計算公式適合本工程場地注漿擴散半徑的計算，為此類地層條件下注漿施工的經濟性和準確性提供了決策依據。

1、巖溶注漿擴散半徑計算公式推導

由能量守衡定律可知，當注漿壓力P保持不變時，注漿段斷面漿液的平均流速和徑向流距成反比，隨著流距的增大，漿液的流速就越小，壓力坡度也隨之減小 [5]。

根據波依塞維爾斯的平面流體理論，注漿液在裂隙中的流速為

由流速為流量與過流斷面積商可知

因此

式中，R為注漿擴散半徑（m）， 為注漿孔半徑 ，b為裂隙寬度（m），P為注漿壓力（MPa），為漿液粘度（Pa.s），T為注漿時間（s）， 為巖體裂隙率， 為注漿段的有效長度（m）。

2、工程計算實例概況

2.1 水文地質條件

站址范圍內地下水類型主要以第四系空隙潛水為主，水位埋深0.5～1.5m。站址淺部地基土以上更新統沖洪積成因的粉質粘土、角礫（碎石）為主，下伏基巖為寒武系泥灰巖和石英巖。

2.2 溶洞發育情況

根據地質報告，本工程站址位于灰巖區，潛在的不良地質作用為巖溶塌陷。結合勘探點平面布置圖綜合分析，場地巖溶發育地段主要集中在場地中部，南北兩端發育較少，深度一般不大。本次鉆孔揭露全填充溶洞頂板基巖厚度0.4～2.1m，當填充物承載力無法承受上覆壓力，頂板巖石塌落入溶洞，將擠溢洞中充填物到塌落空隙。

3、計算實例分析

3.1 計算過程

由于本工程注漿孔半徑較小，可令 ，其中 很小，可忽略不計代入上式可得

根據本站的地質勘察報告可知，巖體的裂隙率為25%～35%，取平均裂隙率28%；巖體中節理裂隙寬度為3～20mm，其中3～10mm的裂隙占大多數，取平均裂隙寬度6mm。

3.2 計算及結果分析

為分析巖溶注漿的擴散半徑與注漿壓力和水灰比（漿液粘度）的關系，本文分別取水灰比為0.5、0.6、0.75、1.0、1.2和注漿壓力為0.8MPa、1.2 MPa、1.5 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa代入式（12）進行分析，其中取注漿時間為30min，漿液粘度為40s時的粘度。結果如下圖1、圖2。

圖1 擴散半徑與注漿壓力曲線圖

圖1中為當水灰比為0.5、0.6、0.75、1.0、1.2時擴散半徑R與注漿壓力P的關系曲線圖，由圖中可看出，當水灰比一定時，注漿擴散半徑R的平方與注漿壓力成正比，擴散半徑隨著注漿壓力的增大而增大，但其增大速率隨注漿壓力的增大而減少。

圖2 擴散半徑與漿液粘度曲線圖

圖2中為當注漿壓力P為0.8MPa、1.2 MPa、1.5 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa時擴散半徑R與水泥漿液粘度的關系曲線圖，由圖中可看出，一方面，當注漿壓力P一定時，注漿擴散半徑R的平方與水泥漿液粘度成反比，擴散半徑隨著水泥漿液粘度的增大而減小，但其減小速率隨水泥漿液粘度的增大而減小。

本站試注漿材料采用32.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6，當注漿壓力達到2.0MPa后上拔注漿管0.5m并繼續注漿，結束后鉆孔取樣進行土工試驗。鉆孔取樣發現離試注漿孔3m處有水泥痕跡，而在4m處無水泥痕跡，由此可知本站注漿擴散半徑為3m～4m；按本文推導公式計算為R=2.998m（注漿壓力為2.0MPa，漿液水灰比為0.6），與實際較相似，因此本文推導公式可以用來計算本站址巖溶注漿擴散半徑。

結論：

1）本文推導出的計算公式充分考慮了注漿壓力、水泥漿液粘度、巖溶地質情況、注漿時間等因素，通過計算公式得出的擴散半徑值與試注漿后現場取樣結果較相近，說明該計算公式合理且適用于該工程場地注漿擴散半徑的計算。

2）結合本工程地質概況，本文分別考慮了不同注漿壓力及水灰比對注漿擴散半徑的影響，分析可知注漿擴散半徑R的平方與注漿壓力成正比，與水泥漿液粘度成反比；當水灰比不變時，R值的增大速率隨注漿壓力的增大而減少；當注漿壓力不變時， R值的減小速率隨水泥漿液粘度的增大而減小。

3）通過分析該注漿擴散半徑計算公式，可以從中尋找最適合該工程或類似地層條件下的注漿壓力及水泥漿液水灰比，使其注漿結果更經濟、合理、準確。

[1]巖土注漿理論與工程實例協作組巖土注漿理論與工程實例[M].北京科學出版社,2001.

[2]阮文軍.注漿擴散與漿液若干基本性能研究[J].巖土工程學報,2005,27(1):69～73.