水利施工中特殊地层灌浆预加固方法研究

史兰爽

(山东美誉工程咨询有限公司，山东 济宁 272000)

0 引 言

灌浆指的是在水利工程施工中把特定的材料制成浆液，利用压力原理将浆液注入到特殊地层的孔隙或裂隙内，使其扩散、固化的一种过程[1]。灌浆预加固指的是对水利施工拟开挖地段注入具有填充和凝胶性能的浆液，来降低特殊地层围岩渗透系数并固结松散岩体的围岩。对水利施工中特殊地层灌浆预加固可以防止水利施工过程中发生水渗透，固定水利工程中各项施工工具，防止施工过程中特殊地层发生滑坡、地表下沉的情况，提高特殊地层的地基承载力[2]。

传统的灌浆预加固方法无法减小灌浆时孔隙水压力的上升，导致浆体对特殊地层的土体产生扰动，从而导致特殊地层产生较大的沉降量，无法保证水利施工中的安全。水利施工过程中，安全是贯彻整个工程的核心。为此，研究中水利施工中特殊地层灌浆预加固方法，可帮助施工过程中尽可能控制特殊地层的沉降量，依据现有的工程地质条件，预加工特殊地层中的裂隙，减小施工中的困难，最大程度降低水利施工带来的破坏性，维持特殊地层原有的地表形态[3]。

1 水利施工中特殊地层灌浆预加固方法研究

1.1 计算特殊地层的应力特征

在水利施工时，特殊地层附近应力场会形成偏压，这种偏压的大小与特殊地层内部一点的指向临空方向的应力相关，所以在计算特殊地层应力特征时，以特殊地层坡口线为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，建立一个计算模型坐标系，见图1。

图1 建立的特殊地层坐标

利用Geo-slope中的线弹性模型，计算特殊地层边坡的应力场。设定弹性模量E=1.0 GPa，泊松比μ=0.30，得到图1中x=1至x=6中每一列的应力特征σx对应的y值的变化，参见图2。

图2 应力特征变化规律

由图2可知，应力特征σx沿着Y轴的方向呈现抛物线的变化，此时特殊地层坡面的σx值并不是最大，而是与坡面近于平行的坡体内部的σx值最大[4]。计算得到σx在特殊地层具体的位置，见图3。

图3 应力点所在特殊地层的位置

由图3所示，所以σx数值在特殊地层的坡表面即a表面，σx接近线性变化，随着特殊地层距离的不断增大，σx值迅速增加，在坡脚达到最大值[5]。计算坡内的剪应力，得到：

(1)

式中：cx，φx为土条在X轴上的有限抗剪强度指标；αy为土条底部的坡脚的坡度；ly为土条底部的长度。随着坡比变缓，剪应力近似线性减少，但在坡比1∶1.25处出现拐点，当坡比为1∶0.5～1∶1.25时，剪应力减缓的程度比1∶1.25～1∶2.0时要快[6]。最终计算得到应力特征的稳定性参数见表1。

单纯的放缓坡度并不能减少坡脚的应力集中，所以在预加固时，还应确定特殊低层的掌子面失稳形式，实现水利施工中特殊低层灌浆预加固方法的研究[7]。

1.2 确定特殊地层掌子面失稳形式

利用条分法确定特殊地层掌子面失稳形式。首先假定若干可能的剪切面-滑裂面，将滑裂面以上土体分成若干垂直土条，对于作用于各土条上的力进行力与力矩的平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数，并通过一定数量的试算，找出最危险滑裂面位置及相应的(最小的)安全系数[8-9]。调整灌浆过程中的各项参数，调整参数见表2。

表1 应力特征的稳定性参数计算表

表2 调整的失稳参数

由表2所示，调整各项剪应力的参数后，在考虑每个土条底部法向力的平衡，计算得到：

Nt=Wtcosα

(2)

规定各土条对滑弧圆心的力矩之和为零，直接计算得出土坡的安全系数为：

(3)

式中：ct和φt为土条t上的有效抗剪强度指标；αt为土条底部的坡角；lt为土条底部的长度；Wt为土条的自重。

计算过程见图4。

图4 失稳模型计算过程

由图4所示，根据静力平衡建立的方程中，未知数的数目超过方程中的数目和力均平衡条件，对多余的未知数进行假定，此时沿着划分的土条两侧垂直面上的剪应力不能超过这个面上所能发挥的抗剪能力，掌子面上无法产生拉应力，此时掌子面呈现稳定状态，可以沿用此次计算结果，对特殊地层灌浆进行预加固[10-11]。

1.3 实现灌浆预加固

在实现灌浆预加固前，假设灌浆口与特殊地层裂隙面垂直，浆液在压力的作用下，沿着灌浆口向四周扩散，浆液以牛顿流体的规律扩撒，扩散锋面呈圆形，假设裂隙平直光滑，不考虑倾角的影响时，单位时间内的灌浆量为Q，浆液扩散半径为r，灌浆浆液在特殊地层扩散锋面处的流速为：

(4)

其中：vr为浆液的流速；h为裂隙宽度。

进一步计算得到特殊地层裂隙水中的流动规律：

(5)

式中：γ为流体重量；Jf为水力梯度；μ为流体动力黏滞系数。

将式(4)代入式(5)中，整理计算得到：

(6)

对式(6)积分处理，计算得到牛顿流体在特殊地层内流动的驱动压力为：

(7)

此时r0为特殊地层的裂隙半径，依照式(7)可以得到扩散半径求解所需的注浆压力参数[12]。

当特殊地层裂隙中存在静水压力为pw的地下水时，此时应设置地下水参数，计算得到：

(8)

由式(7)、式(8)可知，最终的灌浆压力与浆液扩散半径的参数为单位时间泵入量、浆液黏度、裂隙宽度、地下水压力等参数，其中裂隙宽度参数最为重要[13]。但在实际水利工程中，裂隙表面粗糙，走向不断变化，裂隙宽度变化较大，在局部裂隙张开度极小，对于水泥类悬浊液注浆材料而言，浆液渗流过程中较窄的裂隙容易导致浆液颗粒堵塞，使得浆液的渗流受阻，无法实现预期注浆扩散范围所需的注浆压力[14]。所以在实现灌浆预加固时，将式(8)整理为：

(9)

其中，η表示裂隙内单位面积上的流动阻力参数，决定着裂隙表面的粗糙性和曲折性[15]。

基于上述计算，最终确定得到预加固的钻孔位置。预加固时，在浅孔渗透注浆加固的基础上再进行高压深孔劈裂注浆，设计劈裂注浆区厚度2.5 m，注浆材料选用易渗透、高强度的超细水泥浆液，控制注浆的水灰比控制在0.75～0.85，预加固的灌浆图见图5。

图5 预加固灌浆示意图

由图5所示的深孔劈裂灌浆图可知，在特殊地层钻7个孔隙，在各个孔隙中利用图5所示的灌浆管进行灌浆，最终实现特殊地层灌浆的预加固。

2 实 验

2.1 实验准备

实验准备灌浆设备及灌浆材料，设备的性能指标见表3。

表3 设备性能指标

使用表3中的设备，将煤和泥岩岩样破碎成不同大小块度，破碎完成后使用圆孔筛选破碎后的岩体，获得块径尺寸为5～10 mm,10～20 mm,20～30 mm和30～40 mm的碎块备用。按照既定的比例称重，获得不同块度分布的岩样组合，并分层铺设保证铺设的均匀、密实。为确保灌浆过程中不跑浆，将表3中的设备头安放到固定位置，破碎岩样的装填比例见表4。

表4 破碎岩样的装填比例

采用水灰比为0.85∶1配置水泥浆液，在实际的水利施工中特殊地层中使用。分别使用两种传统预加固方法与水利施工中特殊地层灌浆预加固方法进行预加固实验，对比3种预加固方法最终得到的特殊地层地表沉降情况。

2.2 实验结果分析

在特殊地层设置5个测量点，3种预加固方法最终得到的沉降量结果见图6。

图6 3种预加固方法实验结果

由沉降实验结果图所示，以设置的5个测点得出的沉降量为基准，最终传统预加固方法1造成特殊地层的平均沉降量为5 mm，传统预加固方法2最终得到的沉降量为3.5 mm。而水利施工中特殊地层灌浆预加固方法最终特殊地层的沉降量为1 mm，相比于两种传统预加固方法的沉降量，水利水利施工中特殊地层灌浆预加固方法造成的沉降量更小，几乎不对原有的特殊地层造成下沉的影响，保证特殊地层的原有的机理，维持水利施工的正常进行，更适合在实际中使用。

3 结 语

随着水利施工工程难度的不断增加，工程量不断加大，逐渐破坏了水利施工环境中原有生态环境，研究一种水利施工中特殊地层灌浆预加固方法可以缓解水利施工中特殊地层下沉的问题，增强了灌浆预加固的技术性，实现了对特殊地层灌浆强度的解析计算，改善了传统灌浆预加固方法的不足，让灌浆预加固方法更具有科学性。