岩溶堤坝控制注浆浆液扩散机制与工程应用

汪文萍 蒋买勇 曹磊

摘要：“稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”控制注浆技术是岩溶堤坝防渗加固的有效手段之一，但该技术所采用的稀浆和膏浆在不同时段的扩散机制尚不明确。基于稀浆流变方程和窄缝扩散模型、膏浆圆形孔扩张理论，推导了脉动压力下稀桨劈裂岩溶填充物的桨液扩散方程和膏桨压密胶结物的浆液扩散方程。在此基础上，将扩散方程运用到某水库岩溶注浆工程。实践表明，推导的岩溶堤坝控制注浆浆液扩散方程能有效指导工程实践，注浆后的堤坝整体防渗效果得到显著提高，渗透系数均降至5.1×10^-6cm/s，结石体强度可达2MPa。

关键词：岩溶;堤坝;控制注浆;扩散机制;工程应用

中图分类号：TV543⁺.1 文献标志码：A

岩溶是一种因地下水对可溶性岩石（如碳酸盐类、硫酸盐类、卤素类等）进行长时间的溶蚀、沉积、冲蚀等物理化学综合作用而产生的复杂地貌现象[1-3]。我国岩溶分布极为广泛，岩溶区面积约占我国国土面积的1/5。由于岩溶的形状、分布等具有诸多不确定性，填充物种类较多，且岩溶裂隙常与周边地下水相互贯通，水力环境极为复杂，因此广泛分布的岩溶对水利基础设施的建设和运行管理等造成了极大的危害[4]。我国20世纪五六十年代在岩溶区建造了大量的堤坝工程，受当时施工水平的限制，大部分岩溶堤坝存在诸多先天不足，而随着运行年限的增长，渗漏问题十分突出，甚者存在溃坝等风险[5-6]。目前，工程上常采用注浆手段对岩溶堤坝进行防渗加固处理，而注浆工艺也较多，如袖阀管注浆法[7-9]、循环式注浆法[10-11]、孔口封闭注浆法[12-13]、模袋注浆法[14-15]等。实际注浆施工过程中常出现注浆量大、浅层易冒浆以及施工周期长等诸多问题，导致整体注浆效果差，很难达到设计要求。针对堤坝岩溶注浆的诸多难题，笔者提出了一种适合岩溶堤坝高效控制注浆的新工法“稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”注浆[16]，即先采用脉动压力灌注稀浆劈裂岩溶充填物以及周围岩土体，再采用脉动压力灌注膏状浆液压密充填物，实现复合式注浆，达到更好的防渗加固效果，并将该技术成功应用于多项岩溶堤防等防渗加固工程。但以往研究仅就该新技术的施工流程、特点及应用等方面进行了探讨，尚未对浆液在脉动压力下不同时段内的扩散机理进行深入分析，而浆液扩散机理的研究对于该技术的优化和推广应用具有重要的现实意义。

鉴于此，笔者在总结新技术现场注浆经验的基础上，重点探讨该技术的浆液扩散机制，并通过现场试验验证该法的可行性，以期为该工法的大规模现场施工提供指导。

1 岩溶堤坝高效控制注浆工艺及材料

1.1 工艺流程

1.1.1 成孔与安装注浆机具

按设计要求进行孔位布置，布置后进行钻孔放样、定位和标记。采用200型地质钻机进行钻孔，开孔直径为110mm，终孔孔径不小于75mm，并采用泥浆护壁，跟管钻进。待成孔完成后进行孔内冲洗直至出清水，下入注浆管，安装好注浆机具。

1.1.2 稀浆脉动劈裂

按设计要求配制好稀浆（黏土水泥浆液），调设好脉动注浆泵的脉动注浆参数，打开脉动泵进行劈裂注浆，浆液在脉动压力作用下重复劈裂岩溶内充填物，并形成树枝状胶结物。注浆过程中，脉动频率一般控制在20～30次/min，自下而上分段灌注，每次灌注長度宜控制在0.5m左右。

1.1.3 膏浆脉动挤密

按设计要求配制好膏浆（黏土水泥固化浆液），调设好脉动注浆泵的脉动注浆参数，打开脉动泵进行挤密注浆，浆液在脉动压力作用下重复挤密岩溶内树枝状胶结物，发生多次滤水过程，不断提高结石体强度。注浆过程中，脉动频率一般控制在8～15次/min，自下而上分段灌注，每次灌注长度宜控制在1m左右。

1.1.4 封孔结束注浆

自下而上全孔段注浆完成后，立即对注浆孔进行封孔。

1.2 可控浆液研制及性能

通过室内大样本试验，研制的可控稀浆由黏土原浆和普通硅酸盐水泥组成，黏土原浆相对密度为1.35，水固比为1：1～2：1;可控膏状浆液由黏土原浆、普通硅酸盐水泥以及固化剂组成，黏土原浆相对密度为1.25，水固比为1：1，固化剂掺量为2%。配制的可控浆液物理力学性能见表1，浆液样品见图1。

2 高效控制注浆浆液扩散机制

2.1 稀浆脉动劈裂时段浆液扩散机制

2.1.1 基本假定

依据高效可控注浆技术特点与可控稀浆性能，提出如下基本假定：①岩溶充填物和注入的可控稀浆均为均质体，符合各向同性要求，且本文仅探讨一条浆脉劈裂;②可控稀浆在注浆扩散过程中保持宾汉流体流变规律不变，且忽略稀浆的流变时变性;③可控稀浆在充填物内为柱状扩散，扩散过程符合层流流动要求。

2.1.2 扩散机制及扩散过程

依据上述假设，选取半径为σ/2的单位长度裂隙模型进行分析，令稀浆两端注浆压力分别为P+dP和P，υ_P为稀浆流速，τ为可控稀浆的剪切应力，则可控稀浆脉动劈裂扩散机制见图2。

由可控稀浆脉动劈裂的扩散机制可知，可控稀浆在充填物内扩散时，其流变方程为式中：τ₀为可控稀浆的初始剪切应力;η为可控稀浆的黏度;dr为裂隙段长;dv/dr为剪切速率。上述各变量可通过流变仪测试获得。

由文献[17-18 ]和假定条件可知，可控稀浆在充填物中扩散的平均流速v满足式中：P为脉动压力;P为设计压力;t为注浆时间;t₁为脉动注浆段;t₂为脉动絮凝段;d为劈裂缝的宽度;y为可控稀浆未受到剪切作用时的裂缝宽度，本文考虑稀浆流变模型取y=d/3。

经一定注浆时间t后，可控稀浆注浆量为

Q=vAt=lA（4）式中：A为可控稀浆劈裂充填物的劈裂缝面积;l为可控稀浆在充填物劈裂缝内的扩散距离。

值得注意的是，脉动絮凝段虽然注浆压力为零，但此时注浆量仍固定，故注浆总量为整个注浆时间段内的浆液量。

联立式（1）～式（4），并结合一定的边界条件，即当脉动注浆压力P达到充填物的起劈压力尸，时，可控稀浆开始在充填物内发生脉动劈裂，此时浆液扩散距离为r₁，则起劈压力P₁满足式中：δ₃为充填物围岩压力;φ为充填物内摩擦角;c为稀浆的黏聚力。

若经过注浆时间Δt后扩散半径为r₁'+r'，脉动压力为P₂，将式（2）代入式（4）并分离变量后有

实际计算时，注浆压力应按式（3）分时段计算，得到浆液扩散距离r₁'、r₂'、…、r_n'，其中n满足

将计算得到浆液扩散距离r₁'、r₂'、…、r_n'后进行累加即为脉动压力下稀浆在充填物内的扩散距离。

2.2 膏浆脉动压密时段浆液扩散机制

2.2.1 基本假定

依据高效可控注浆技术特点与可控膏浆性能，提出如下基本假定：①充填胶结物符合Mohr-Coulomb屈服准则;②可控膏浆在注浆扩散过程中保持宾汉流体流变模型不变，且忽略膏浆的流变时变性;③脉动压密注浆过程符合圆形孔扩张理论。

2.2.2 扩散机制及扩散过程

依据上述假设，另设圆形孔初始半径为R₀，扩张后半径为R，注浆压力为P，孔内压力为P_R，径向正应力为σ，轴向正应力为σ_θ。分析可控膏浆脉动挤密扩散机制，见图3。

由可控膏浆脉动压密的扩散机制可知，浆液扩散符合圆形孔扩张理论，考虑力学平衡则有

弹性区满足广义虎克定律：式中：ε_r为径向正应变;ε_θ为轴向正应变;E为材料弹性模量;v为材料泊松比。

根据假设条件①可知，充填胶结物屈服条件为

根据其他假设条件，将式（11）代入式（9）得

考虑式（11），若σ_r=P时r=R₀，则有

结合一定的边界条件，且圆形孔扩张后体积变化等于弹性区与塑性区体积变化之和，则可确定注浆孔内最终压力P_R和最终扩散半径R：其中：式中：△为胶结物初始应力;Q为注浆量;C为待定常数。

根据现场统计注浆量Q、读取压力表读数P_R和注浆时间T，即可计算出分时段计算浆液扩散距离R₁、R₂、…、R_n，其中n满足

计算得到浆液扩散距离R₁、R₂、…、R_n后进行累加，即为脉动压力下膏浆在岩溶内的挤密扩散距离。

2.3 公式适用范围

根据前文假设条件可知，岩溶堤坝高效可控注浆浆液扩散公式均是在浆液符合層流流动的基础上推导出来的。根据文献[19]可知，可控浆液为宾汉流体，其雷诺数Re<2000时为层流。

3 工程应用

某水库副坝地基岩体砾岩中的砾石成分以灰岩为主，胶结物以钙质为主，较易溶蚀，溶隙、溶孔、溶洞较为发育，溶洞内的充填物长期受水头压力的渗流作用，造成坝基塌陷和渗漏。为此，对1#副坝基础分部位采用单排和双排帷幕灌浆施工处理，帷幕钻孔位于坝轴线上游2.6m，帷幕伸人基岩以下不小于3m。前期采用常规注浆工艺发现注浆效果差，很难达到设计要求，故采用本文提供的新技术进行注浆处理。

3.1 试验方案

现场压水试验表明，注浆压力设计为1.5～2.0MPa，采用本文提出的理论模型计算得到如下设计方案：布孔设计为梅花形3排孔，孔距1.0m、孔排距1.0m，稀浆脉动劈裂时脉动频率控制在25次/min，自下而上分段灌注，每次灌注长度控制在0.5m;膏浆脉动挤密脉动频率控制在12次/min，自下而上分段灌注，每次灌注长度控制在1m。现场施工的可控稀浆为黏土水泥稳定浆液，其中黏土原浆相对密度为1.30，水固比2：1;可控膏状浆液为黏土水泥固化浆液，其中黏土原浆相对密度为1.20，水固比0.8：1.0，固化剂掺量占水泥掺量的2%。

3.2 结果分析

注浆过程中未发现冒浆串浆现象，且涌水减少效果明显，后期基本无渗漏。施工结束后，采用钻孔取芯和注水试验进行效果检测。检测结果表明，土石坝整体防渗效果得到显著提高，检查孔渗透系数均降至5.1×10^-6cm/s，所取芯样基本完整，结石体强度可达2MPa，达到设计效果。

4 结语

考虑现有岩溶堤坝注浆工艺的不足，提出了一种可控注浆新方法，并针对该方法的特点，基于稀浆流变方程和窄缝扩散模型、膏浆圆形孔扩张理论，研究了不同浆液在不同时段内的扩散机制，推导了脉动压力下稀浆劈裂岩溶填充物的浆液扩散方程和膏浆压密胶结物的浆液扩散方程。该方法计算简便，易于在岩溶堤坝注浆设计中应用，采用推导的注浆公式指导工程实践，验证了理论推导的可行性，注浆后土石坝整体防渗效果得到显著提高，渗透系数均降至5.1×10^-6cm/s，结石体强度可达2MPa，达到设计效果。但脉动劈裂和压密注浆过程十分复杂，文中在推导过程中均作了一定假设，诸多问题尚未考虑，如浆液压滤效应、劈裂缝的扩缝效应等，有待进一步深入研究。

参考文献：

[1]袁道光.岩溶环境学[M].重庆：重庆出版社，1988：1-25.

[2]张凤娥，卢耀如，郭秀红，等.复合岩溶形成机理研究[J].地学前缘，2003，10（2）：495-500.

[3]VICK S G，BROMWELL L G.Risk Analysis for Dam Designin Karst[J].Journal of Geotechnical Engineering，1989，115（6）：819-835.

[4]JOHNSON K S.Gypsum-Karst Problems in ConstructingDams in the USA[J].Environmental Geology，2008，53（5）：945-950.

[5]许传桂.我国病险水库的现状[J].大坝与安全，2000，14（3）：52-53.

[6]杜雷功.全国病险水库除险加固专项规划综述[J].水利水电工程设计，2003（3）：1-3.

[7]娄吉宏，于森，胡桂娟.袖阀管注浆法在广州白云国际机场飞行区溶洞处理工程中的应用[J].广西大学学报（自然科学版），2005（1）：17-21.

[8]黄焰，伍永胜.岩溶地区城市地下浅埋隧道工程技术研究[J].土木工程学报，2005（8）：107-113.

[9]魏晨亮，王玉卿，唐高洪.南宁地区富水圆砾层袖阀管注浆加固技术[J].隧道建设，2014（5）：499-502.

[10]孙金库，冉懋鸽.不良地质洞段高压固结注浆处理[J].岩石力学与工程学报，2004，23（18）：3196-3202.

[11]罗长军.帷幕注浆技术在既有土坝可溶岩坝基中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23（22）：3910-3916.

[12]張贵金，许毓才，陈安重，等一种适合松软地层高效控制注浆的新工法：自下而上、浆体封闭、高压脉动注浆[J].水利水电技术，2012，43（3）：38-41.

[13]盛松涛，张贵金，陈安重.托口水电站河湾地块帷幕灌浆新工艺的施工实践[J].水利水电技术，2014，45（8）：108-111.

[14]刘慧霞，把多铎.岩溶地区坝基渗水堵漏注浆[J].水资源与水工程学报，2009（4）：127-128，131.

[15]符平，王廷勇，郑亚平，等.土工模袋注浆研究与应用[J].水利与建筑工程学报，2004（1）：11-13.

[16]蒋买勇，梁经纬，王飚，等.一种适合岩溶堤坝高效控制注浆的新工法：稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密注浆[J].中国农村水利水电，2016（11）：147-150.

[17]杨秀竹，王星华，雷金山.宾汉体浆液扩散半径的研究及应用[J].水利学报，2004，35（6）：75-79.

[18]孙锋，陈铁林，张顶立，等.基于宾汉体浆液的海底隧道劈裂注浆机制研究[J].北京交通大学学报，2009，33（4）：1-6.

[19]曾祥熹.泥浆流变学与黏度测量[M].湖南：中南矿冶学院出版社，1981：63-82.