松散壩基灌漿加固的封孔漿體性能研究

葛建　梁經緯　付強　湯金華

摘 要：壓力灌漿是對松散壩基進行防滲加固的有效手段，但在松散土石混合體壓力灌漿防滲施工中存在難封孔、低壓重復劈裂、難以起壓等問題。從封孔漿體劈裂破壞模型、封孔漿體止漿機制及漿液性能對封孔止漿效果的影響等方面對封孔漿體止漿性能進行了研究。結果表明：影響封孔漿體劈裂壓力及保壓時間的因素主要有漿料強度、裂隙開度、漿液流變性及漿體高度;封孔漿體的劈裂壓力與注漿料的流變性相關，隨封孔漿料強度的增大而相應變大;封孔漿體劈裂壓力隨裂隙開度的增大而降低，裂隙開度對劈裂壓力的影響隨封孔漿體高度的增加明顯增大;適當提高封孔漿體強度可以有效減小裂隙開度，提高封孔漿液濃度也有利于獲得較大的塑性黏度和屈服應力，確保漿體封孔效果。

關鍵詞：壩基;防滲加固;壓力灌漿;封孔止漿;賓漢姆流體模型;漿體劈裂壓力

中圖分類號：TV41 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.026

Research on Slurry-Sealing Property for Borehole Blocking Materials Applied in

Discrete Dam Foundation Pressure Grouting

GE Jian1， 2， LIANG Jingwei3， FU Qiang1， TANG Jinhua2

（1.Civil and Transportation Engineering College， Hohai University， Nanjing 210098， China;

2.School of Civil Engineering， Nantong Vocational University， Nantong 226001， China;

3 Hunan Water Resources and Hydropower Research Institute， Changsha 410007， China）

Abstract：Rock grouting has been extensively adopted to be a suitable method applied to seepage prevention and consolidation in discrete dam foundations. However， when constructed in fissured formations comprising unconsolidated earth and rock masses， practical problems， for example leakage in borehole sealing， borehole splitting repeatedly at low pressure， and unstable grouting pressure have often been raised and hindered future application of this technique. This study intended to explain the features of grout mixes in borehole blocking， on the bases of fracturing failure model of borehole sealant， mechanism of grouting slurry blocking， and the relationships between grouting mixes and borehole sealing effect. It is suggested that yielding strengths of grouting mixes， widths of fissures， rheological properties and depths of sealant mixes dominate multitudes and lasting time of splitting pressure. In the meantime， our study also proposed that the splitting pressure of borehole sealant has a close relationship with the cohesion of the mix and develops with yielding strength increment of grouting mix. The splitting pressure of a mix tends to decrease with the increase of fissure width. The tendency aggravates with the depth increase of borehole sealant. Improving sealant yielding strength obtains appropriate effect of fissure width reduction. Furthermore， increasing concentration of grouting mixes generates larger viscosity and yielding strength， which is effective in assuring the action of borehole blocking.

Key words： dam foundation; seepage reduction and strength improvement; pressure grouting; borehole sealing and slurry blocking; Bingham fluid model; splitting pressure of grouting slurry

復雜地質條件下壩基防滲加固對大壩安全性及耐久性至關重要，其中松散土石混合體的防滲加固尤為重要[1-2]。工程實踐證明，壓力灌漿是對松散壩基進行防滲加固的一種有效手段，能夠封堵壩基存在的滲漏通道、提高壩基抗滲及整體受力性能[3-5]。在灌漿料性能以及灌漿防滲加固巖土體力學性能方面，謝興華、王媛等[6-7]研究了裂隙巖體水力劈裂的滲流計算模型，楊米加[8]采用非牛頓流體滲透模型研究了灌漿加固對裂隙巖體穩定性的影響并對灌漿巖土體的滲透破壞機制進行了探討，瑞典的Lombardi等[9]提出的GIN（Grouting Intensity Number）灌漿方法從理論角度解決了防滲帷幕的形成機制問題。在現有壓力灌漿工藝方面，目前壩基防滲工程使用較多的有“孔口封閉灌漿”“預埋花管灌漿”“袖閥管灌漿”“套管灌漿”等[10-12]，張貴金等[13]提出的“脈動灌漿”工藝利用脈動加壓和封孔漿體自身黏塑性確保起壓、保壓，在松散土石混合體壩基灌漿防滲加固方面取得了一定效果。現階段由于封孔技術尚不成熟，壓力灌漿在工程應用中尚存在難封孔、難起壓、重復劈裂以及漿液大量消耗等問題[14-16]，制約了該技術在松散壩基防滲加固方面的進一步應用。筆者針對賓漢姆流體的連續流動和劈裂破壞過程，對封孔漿體劈裂破壞模型、封孔漿體止漿機制以及漿液性能對封孔止漿效果的影響進行了研究。

1 壓力灌漿封孔漿體劈裂破壞過程

封孔漿體是一種低強度、快硬性材料，主要作用是封閉灌漿孔段以及在灌漿過程中的起壓和保壓。松散巖土體的起劈壓力一般為0.30～0.55 MPa [17]，封孔漿體的起劈壓力實測值僅為0.03～0.30 MPa。封孔漿體的起劈壓力明顯小于周圍松散巖土體的，兩種材料存在的強度差異是造成封孔漿體產生劈裂破壞的主要內在原因。

穩壓灌漿過程中，封孔漿體止漿性能的主要衡量指標是漿體劈裂壓力和劈裂壓力的保持時間，封孔漿體注漿壓力下的劈裂破壞如圖1所示。設封孔漿體高度為H0，當灌漿孔內脈動灌漿壓力P超過封孔漿體的起劈壓力時，灌漿液就會沿封孔漿體的連續劈裂縫向上運動，隨著出漿口灌漿壓力PH不斷增大，封孔漿體內漿液高度H不斷增加，當封孔漿體內漿液高度H達到封孔高度H0時，封孔漿體被漿液穿透而喪失封孔能力。

2 封孔漿體止漿機制及其劈裂壓力

當灌漿壓力達到封孔漿體起劈壓力時，灌漿液在壓力作用下會沿薄弱面對封孔漿體造成劈裂破壞，破壞形狀為同心環狀。灌漿液可視為賓漢姆流體，其流動形式為同心環狀層流。假設薄弱面位于圖2所示內環（灌漿管，半徑為R1）和外環（灌漿孔道，半徑為R2）中間位置，裂隙光滑均勻（隙寬為2a，a為裂隙寬度的一半），采用賓漢姆流體連續方程描述其運動規律：

τ=Ar（1）

式中：τ為剪切應力;A為薄弱面的面積，A=dPdH+γg，dPdH為封孔漿體裂隙中漿液的壓力梯度，γg為漿液密度;r為注漿管中心至裂隙中心距離。

對于賓漢姆流體，其流變方程為[18]

τ=τ0+ηp（-dudr）（2）

式中：τ0為漿液屈服應力;ηp為漿液塑性黏度;u為漿液流速。

聯立式（1）、式（2）得

τ0-ηpdudr=Ar（3）

假設裂隙位置處的賓漢姆流體運動由流體核心區[-rp，rp]整體運動及剪切區相對運動兩部分構成，由微元體受力平衡并導入賓漢姆流體流變方程，可求得漿液在封孔漿體內同心環狀窄縫截面上的速度分布函數：

u=A（r2-a2）2ηp+τ0（r-a）ηp （-a≤r≤-rp或rp≤r≤a）A（rp2-a2）2ηp+τ0（rp-a）ηp （-rp

漿液在劈裂縫中的平均速度為

=A6aηp（3a2rp-2a3-r3p）（5）

當灌漿壓力P達到封孔漿體起劈壓力時， 漿液在封孔漿體中劈裂流動。設P0為封孔漿體劈裂灌漿時的起劈壓力， 則灌漿孔段內灌漿壓力達到P0時劈裂流動。 經過灌漿時間t后， 漿液在封孔內的上升高度達到H時，對應的出漿口灌漿壓力為

PH=P0+γgH+3ηpHa3[q孔2π（R2+R1）+τ0a22ηp]（6）

式中：q孔為實測灌漿料流速。

若封孔漿體高度為H0，則當封閉漿體內的漿液高度達到孔口時，則相應的出漿口灌漿壓力即為穩壓下封孔漿體的灌漿劈裂壓力PwH0：

PwH0=P0+γgH0+3ηpH0a3[q孔2π（R2+R1）+τ0a22ηp]（7）

3 封孔漿體劈裂壓力的主要影響因素

由式（7）可知，封孔漿體的灌漿劈裂壓力與封孔漿體特性（高度、強度）、灌漿壓力、裂隙開度和漿液流變性等因素相關，本文主要分析穩壓灌漿條件下封孔漿液的流變性能（塑性黏度、屈服應力）、強度對封孔漿體劈裂壓力的影響。

3.1 漿液流變性能與封孔漿體劈裂壓力的關系

已知孔壁內徑R2=0.045 m，灌漿管外徑R1=0.032 5 m，封孔起劈壓力P0=0.162 MPa，漿液重度γg=15.1 kN/m3，假定同心環狀裂隙灌漿速度q孔=0.1 L/s、裂隙開度2a=0.002 m，當封孔漿體高度H0在5～40 mm范圍內時，其劈裂壓力與灌漿料塑性黏度的關系見圖3。

由圖3可知，當灌漿料的塑性黏度加大時封孔漿體的劈裂破壞壓力隨之明顯提高，隨封孔漿體高度H0增加，灌漿料的塑性黏度對封孔漿體劈裂壓力的影響增大。所以，提高灌漿料的流變性能（提高塑性黏度和屈服應力），可以有效提高漿體的封孔性能。根據前述結論，工程中在漿液中提高黏土摻量的做法可以有效提高灌漿漿液塑性黏度及屈服應力，但實踐證明，隨黏土摻量的增加，漿液結石后期強度下降明顯，因此黏土摻量以不超過固體總量的50%為宜[19]。

3.2 漿體強度對其劈裂壓力的影響

設通過同心環狀裂隙的灌漿速度q孔=0.1 L/s，裂隙開度2a=0.002 m，封孔漿體高度、強度與封孔漿體劈裂壓力的關系見圖4。由圖4可知，封孔漿體強度與其劈裂壓力線性相關，隨封孔漿體的度厚增加，其劈裂壓力相應增大。但是，隨強度和高度增加，封孔漿體對灌漿管的握裹力也相應提高，這會加大施工過程中的拔管難度，因此封孔漿體的強度不宜超過0.3 MPa[19]。

4 結 論

影響封孔漿體劈裂壓力及保壓時間的因素主要有漿料強度、裂隙開度、漿液流變性及漿體高度;封孔漿體的劈裂壓力與注漿料的流變性相關，隨封孔漿料強度增大而相應變大;封孔漿體劈裂壓力隨裂隙開度的增大而降低，裂隙開度對劈裂壓力的影響隨封孔漿體高度的增加明顯增大;適當提高封孔漿體強度可以有效減小裂隙開度，提高封孔漿液濃度也有利于獲得較大的塑性黏度和屈服應力，確保漿體封孔效果。

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【責任編輯 張智民】

收稿日期：2018-06-12

基金項目：江蘇省教育廳優秀中青年教師境外研修項目（2016）

作者簡介：葛建（1972—），男，江蘇南通人，副教授，博士研究生，研究方向為巖土工程

E-mail：nt-gejian@163.com