基于UDEC的裂隙巖體注漿參數(shù)研究

廖志煌，閆思泉，曾志全，韓華超，邱士利，李 平

（1.湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，湖北武漢 430068；2.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南鄭州 450000；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 310014；4.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北武漢 430071；5.中南民族大學化學與材料科學學院，湖北武漢 430074）

0 引言

建設中人們經(jīng)常在含劣質(zhì)巖的破碎地層中修建隧道的工程，當隧洞下穿外水源強透水地層的直接后果是地表水源通過滲流或徑流通道倒灌到施工隧洞中形成涌水災害［1］，直接威脅工程安全。此外，滲透壓的變化有直接影響隧洞支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性［2］。為了加固圍巖和控制水動力場的不利影響，施工中需要采用固結(jié)灌漿的方式處理隧洞上層圍巖。

固結(jié)灌漿可提高圍巖穩(wěn)定性，使相關巖土地層達到工程實踐的要求，其在路橋隧洞、礦業(yè)、建筑等行業(yè)中的使用達200多年歷史［3］。眾多學者對注漿問題進行了研究，但更多的是關于固結(jié)灌漿對巖體力學參數(shù)的改善。

針對漿液在劣質(zhì)巖體裂隙中的擴散規(guī)律研究，趙林［4］通過數(shù)值模擬，得出注漿的擴散范圍隨注漿時聞加長而快速增長，然后趨于平穩(wěn)；節(jié)理越長，巖體的可灌性越好、漿液范圍越大、注漿結(jié)束時間越短。朱明聽等［5］認為漿液注漿效果受注漿壓力，注漿孔直徑，水力開度影響。趙磐［6］基于線性源理論，模擬了漿液的擴散過程，推導出滲透注漿漿液擴散公式。范佳俊［7］通過數(shù)值模擬灌漿效果受注漿壓力，水灰比，水力開度，節(jié)理的角度、間距、跡長影響。王強等［8-9］通過數(shù)值模擬得出注漿壓力，水灰比，水力開度對注漿擴散范圍起到主導作用；注漿壓力，注漿管長度和裂隙開度對注漿量起到主導作用。O.Saeidi等［10-11］認為注漿的擴散范圍主要受注漿壓力，水灰比，水力開度，節(jié)理的角度、間距、跡長，摩擦角的影響。Ali Mortazavi［12］結(jié)合伊朗某大壩地質(zhì)，通過數(shù)值模擬系統(tǒng)地分析灌漿效果受注漿壓力、水灰比、水力開度、節(jié)理角度、間距、跡長、摩擦角的影響。

國內(nèi)外學者對漿液在巖體擴散規(guī)律進行了大量研究，但多為基于單鉆孔中的水平裂隙的情況。結(jié)合工程實踐中的地質(zhì)分層，進行分層多孔注漿的研究仍然缺乏。結(jié)合地層特質(zhì)和漿液自身屬性，以此改善注漿的設計參數(shù)，保證注漿效果。固結(jié)灌漿設計參數(shù)需要注漿相關理論的指導。因此本文將依托鄂北地區(qū)水資源配置有關工程實測資料，結(jié)合工程實踐中的地質(zhì)分層，進行分層多孔注漿模擬，揭示固結(jié)灌漿參數(shù)與該地區(qū)注漿效果增量的控制關系，并提出相關注漿設計參數(shù)。

1 UDEC基本原理

UDEC關于流體流動的類型分為完整巖體和結(jié)構(gòu)面。本文探討的是漿液在裂隙巖體中擴散情況，只考慮漿液在裂隙中流動。所以結(jié)合UDEC的優(yōu)點，設定完整巖體本身對漿液不滲透進行數(shù)值模擬。基于UDEC進行模擬巖體內(nèi)部漿液流動為滲流應力耦合計算，屬于非連續(xù)性介質(zhì)。

1.1 漿液流動計算

流體流動在UDEC的數(shù)值模擬中，利用裂隙網(wǎng)絡將整個系統(tǒng)劃分成多個區(qū)域，通過闡述裂隙里的流體的流動狀態(tài)來定義。這多個區(qū)域中含有流體，每個區(qū)域之間的接觸方式也不盡相同，導致流體流動的描述方式也不同。存在著邊接觸和點接觸兩種接觸方式。

1.1.1 點接觸

點接觸給出了壓力為p1的區(qū)域到壓力為p2的區(qū)域的流量。

KC為接觸的滲透系數(shù)；ρw是流體密度；y1，y2分別為各區(qū)域的中心坐標。

1.1.2 邊邊接觸

邊與邊的方式，即漿液所在區(qū)域中，通過離散塊體邊進行接觸。流體流量使用壓力差進行計算，不考慮流體黏度時變特性，公式如（3）所示。

kj為裂隙滲透系數(shù)；a是相鄰區(qū)域邊與邊的孔徑；l是接觸區(qū)域間距離。

1.2 裂隙內(nèi)漿液壓力的計算

在數(shù)值模擬計算中，通過對每一步的時間步長計算結(jié)果，重新確定新的數(shù)值和模型的幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)公式（3），計算流體的流量。

其中ΔVf為漿液在區(qū)域內(nèi)體積增量，∑q為漿液在裂隙巖體的總流量，Δtf為漿液時間步長。在流體計算的過程中，UDEC將會對新生成區(qū)域反復計算，然后計算公式依據(jù)不同的接觸形式得到流體通過各個接觸點的流量，以及流入不同區(qū)域的總流量。因為體積變化量是不同區(qū)域由應力變化所導致的，通過計算公式求得各個區(qū)域內(nèi)流入流體的壓力如公式（5）所示［13］。

其中，p0為區(qū)域內(nèi)原有的壓力；Q為流入?yún)^(qū)域中地下水的總流量；ΔV=V-V0，Vm=(V0+V)/2，V0和V分別為區(qū)域內(nèi)原來的體積和現(xiàn)在的體積；kw是漿液體積模量。

2 工程背景

鄂北水資源配置工程是國家政府規(guī)劃實施的重要民生工程。該工程隧洞沿線地層有多處劣質(zhì)巖地層，地層分布較為復雜。隧洞施工與地表耦聯(lián)性強。隧洞埋深淺，上覆厚度最薄處僅21 m，隧洞近距離下穿20多個堰塘、河流以及數(shù)個村莊，當隧洞開挖至該洞段時，極易導致水動力與圍巖力學響應耦合形成隧洞冒頂或掌子面塌方，甚至形成通天式煙囪型破壞和地面陷落，直接威脅工程安全。由此帶來諸多工程災害，給工程設計與施工技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)和難題。然而抗?jié)B防水甚至排水設計等是個非常復雜且系統(tǒng)的科學課題，不但與工程地層分布規(guī)律和強透水層結(jié)構(gòu)密切相關，還涉及施工密切相關的控制措施的耦合作用。因而，結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)條件，提出相關設計參數(shù)，是解決鄂北地區(qū)水資源配置工程杜家河段引水隧洞地下水下滲影響圍巖穩(wěn)定性問題的關鍵。

3 建立數(shù)值模型

本文基于UDEC建立賓漢漿液滲流模型，進行數(shù)值模擬。根據(jù)鄂北地區(qū)水資源配置工程中杜家河地段的實際地質(zhì)情況，通過杜家河位置條件和工程問題結(jié)合，進行現(xiàn)場取樣工作，如圖1所示。杜家河邊取樣位置選取一個位于兩個注漿孔之間（1號位），一個位于距離注漿孔30 cm處（2號位），在兩處各設置一個深孔，對取出土樣的分析，可劃分為沙礫層、全風化層、強風化層、弱風化層。在模擬中我們統(tǒng)一將地層從上至下分為沙礫層（0～-4 m）、全風化層（-4 m～-8.5 m）、強風化層（-8.5 m～-10.5 m）、弱風化層（-10.5 m～-50 m）。通過對取樣結(jié)果進行相關試驗獲得部分試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合《工程地質(zhì)手冊》［14］實測數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫資料，設定裂隙開度為0.1 mm，輸入不同地層的巖體參數(shù)，如表1所示。

在杜家河實際工程中位多注漿孔，而UDEC是二維模擬軟件，在二維中可使用雙注漿孔模擬得出多注漿孔結(jié)論。利用VORONOI隨機裂隙網(wǎng)絡模型構(gòu)建巖體裂隙節(jié)理,依此建立一個長110 m，深50 m大小的模型。灌漿孔直徑為10 cm，由地面延伸至地下19 m處在10～19 m深處進行注漿模擬，設置雙注漿孔。注漿孔間距設置10 m時，模型如圖2所示。

4 數(shù)值模擬

為了評估雙注漿孔間距在不同的注漿壓力、漿液水灰比情況下的注漿效果，設定不同的注漿孔間距參數(shù)（4 m、6 m、10 m、14 m），不同的注漿壓力參數(shù)（0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、4 MPa），不同的漿液水灰比參數(shù)（0.4、0.5、0.6、0.7、1）。設計100個數(shù)值模擬模型進行模擬，所得的部分模型注漿范圍如圖3所示。

表1 輸入?yún)?shù)

圖1 取樣現(xiàn)場

圖2 數(shù)值模擬模型

5 設計參數(shù)的提出

結(jié)合鄂北地區(qū)水資源配置工程，杜家河段工程的實際工況，隧洞洞頂位于地下21 m處。根據(jù)圖4的結(jié)果分析，在使用0.4水灰比的注漿漿液，在注漿孔間距為4 m處時，建議注漿壓力不低于4 MPa；在注漿孔間距為6 m處時，建議注漿壓力不低于4 MPa；不建議設置注漿孔間距大于6 m。

圖3 部分模型注漿效果

在進行漿液注漿時，設定0.5的水灰比。在注漿孔間距為4 m處時，建議注漿壓力不低于2 MPa；在注漿孔間距為6 m處時，建議注漿壓力不低于4 MPa；在注漿孔間距為10 m處時，建議注漿壓力不低于4 MPa。不建議設置注漿孔間距大于10 m。

在使用水灰比為0.6的注漿漿液，在注漿孔間距為4 m處時，建議注漿壓力不低于1.5 MPa；在注漿孔間距為6 m處時，建議注漿壓力不低于2 MPa；在注漿孔間距為10 m處時，建議注漿壓力不低于4 MPa；在注漿孔間距為14 m處時，建議注漿壓力不低于4 MPa。

在使用水灰比為0.7的注漿漿液，在注漿孔間距為4～6 m處時，建議注漿壓力不低于1 MPa；在注漿孔間距為10 m處時，建議注漿壓力不低于1.5 MPa；在注漿孔間距為14 m處時，建議注漿壓力不低于2 MPa。

在使用水灰比為1的注漿漿液，在注漿孔間距為4～10 m處時，建議注漿壓力不低于0.5 MPa；

在注漿孔間距為14 m處時，建議注漿壓力不低于1 MPa。

對于裂隙注漿工程而言，可先注入水灰比較高的漿液以保證漿液擴散距離達到設計值，然后注入水灰比較低的漿液以提升整個漿液擴散區(qū)的濃度，保證注漿效果［15］。

6 結(jié)語

根據(jù)前人對裂隙巖體單因素控制作用下注漿擴散的研究成果，結(jié)合鄂北地區(qū)杜家河段工程實際地質(zhì)情況，基于UDEC建立賓漢漿液滲流模型，進行地質(zhì)分層并劃分隨機節(jié)理，設置雙注漿孔，進行注漿模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,可指導杜家河段工程的注漿施工,設計注漿孔間排距,注漿壓力以及水灰比等。

圖4 在不同漿液水灰比、注漿壓力、注漿孔間距的參數(shù)時的注漿效果