松散坝基灌浆加固的封孔浆体性能研究

葛建　梁经纬　付强　汤金华

摘 要：壓力灌浆是对松散坝基进行防渗加固的有效手段，但在松散土石混合体压力灌浆防渗施工中存在难封孔、低压重复劈裂、难以起压等问题。从封孔浆体劈裂破坏模型、封孔浆体止浆机制及浆液性能对封孔止浆效果的影响等方面对封孔浆体止浆性能进行了研究。结果表明：影响封孔浆体劈裂压力及保压时间的因素主要有浆料强度、裂隙开度、浆液流变性及浆体高度;封孔浆体的劈裂压力与注浆料的流变性相关，随封孔浆料强度的增大而相应变大;封孔浆体劈裂压力随裂隙开度的增大而降低，裂隙开度对劈裂压力的影响随封孔浆体高度的增加明显增大;适当提高封孔浆体强度可以有效减小裂隙开度，提高封孔浆液浓度也有利于获得较大的塑性黏度和屈服应力，确保浆体封孔效果。

关键词：坝基;防渗加固;压力灌浆;封孔止浆;宾汉姆流体模型;浆体劈裂压力

中图分类号：TV41   文献标志码：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

复杂地质条件下坝基防渗加固对大坝安全性及耐久性至關重要，其中松散土石混合体的防渗加固尤为重要[1-2]。工程实践证明，压力灌浆是对松散坝基进行防渗加固的一种有效手段，能够封堵坝基存在的渗漏通道、提高坝基抗渗及整体受力性能[3-5]。在灌浆料性能以及灌浆防渗加固岩土体力学性能方面，谢兴华、王媛等[6-7]研究了裂隙岩体水力劈裂的渗流计算模型，杨米加[8]采用非牛顿流体渗透模型研究了灌浆加固对裂隙岩体稳定性的影响并对灌浆岩土体的渗透破坏机制进行了探讨，瑞典的Lombardi等[9]提出的GIN（Grouting Intensity Number）灌浆方法从理论角度解决了防渗帷幕的形成机制问题。在现有压力灌浆工艺方面，目前坝基防渗工程使用较多的有“孔口封闭灌浆”“预埋花管灌浆”“袖阀管灌浆”“套管灌浆”等[10-12]，张贵金等[13]提出的“脉动灌浆”工艺利用脉动加压和封孔浆体自身黏塑性确保起压、保压，在松散土石混合体坝基灌浆防渗加固方面取得了一定效果。现阶段由于封孔技术尚不成熟，压力灌浆在工程应用中尚存在难封孔、难起压、重复劈裂以及浆液大量消耗等问题[14-16]，制约了该技术在松散坝基防渗加固方面的进一步应用。笔者针对宾汉姆流体的连续流动和劈裂破坏过程，对封孔浆体劈裂破坏模型、封孔浆体止浆机制以及浆液性能对封孔止浆效果的影响进行了研究。

1 压力灌浆封孔浆体劈裂破坏过程

封孔浆体是一种低强度、快硬性材料，主要作用是封闭灌浆孔段以及在灌浆过程中的起压和保压。松散岩土体的起劈压力一般为0.30～0.55 MPa [17]，封孔浆体的起劈压力实测值仅为0.03～0.30 MPa。封孔浆体的起劈压力明显小于周围松散岩土体的，两种材料存在的强度差异是造成封孔浆体产生劈裂破坏的主要内在原因。

稳压灌浆过程中，封孔浆体止浆性能的主要衡量指标是浆体劈裂压力和劈裂压力的保持时间，封孔浆体注浆压力下的劈裂破坏如图1所示。设封孔浆体高度为H0，当灌浆孔内脉动灌浆压力P超过封孔浆体的起劈压力时，灌浆液就会沿封孔浆体的连续劈裂缝向上运动，随着出浆口灌浆压力PH不断增大，封孔浆体内浆液高度H不断增加，当封孔浆体内浆液高度H达到封孔高度H0时，封孔浆体被浆液穿透而丧失封孔能力。

2 封孔浆体止浆机制及其劈裂压力

当灌浆压力达到封孔浆体起劈压力时，灌浆液在压力作用下会沿薄弱面对封孔浆体造成劈裂破坏，破坏形状为同心环状。灌浆液可视为宾汉姆流体，其流动形式为同心环状层流。假设薄弱面位于图2所示内环（灌浆管，半径为R1）和外环（灌浆孔道，半径为R2）中间位置，裂隙光滑均匀（隙宽为2a，a为裂隙宽度的一半），采用宾汉姆流体连续方程描述其运动规律：

τ=Ar（1）

式中：τ为剪切应力;A为薄弱面的面积，A=dPdH+γg，dPdH为封孔浆体裂隙中浆液的压力梯度，γg为浆液密度;r为注浆管中心至裂隙中心距离。

对于宾汉姆流体，其流变方程为[18]

τ=τ0+ηp（-dudr）（2）

式中：τ0为浆液屈服应力;ηp为浆液塑性黏度;u为浆液流速。

联立式（1）、式（2）得

τ0-ηpdudr=Ar（3）

假设裂隙位置处的宾汉姆流体运动由流体核心区[-rp，rp]整体运动及剪切区相对运动两部分构成，由微元体受力平衡并导入宾汉姆流体流变方程，可求得浆液在封孔浆体内同心环状窄缝截面上的速度分布函数：

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

浆液在劈裂缝中的平均速度为

=A6aηp（3a2rp-2a3-r3p）（5）

当灌浆压力P达到封孔浆体起劈压力时， 浆液在封孔浆体中劈裂流动。设P0为封孔浆体劈裂灌浆时的起劈压力， 则灌浆孔段内灌浆压力达到P0时劈裂流动。 经过灌浆时间t后， 浆液在封孔内的上升高度达到H时，对应的出浆口灌浆压力为

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

式中：q孔为实测灌浆料流速。

若封孔浆体高度为H0，则当封闭浆体内的浆液高度达到孔口时，则相应的出浆口灌浆压力即为稳压下封孔浆体的灌浆劈裂压力PwH0：

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

3 封孔浆体劈裂压力的主要影响因素

由式（7）可知，封孔浆体的灌浆劈裂压力与封孔浆体特性（高度、强度）、灌浆压力、裂隙开度和浆液流变性等因素相关，本文主要分析稳压灌浆条件下封孔浆液的流变性能（塑性黏度、屈服应力）、强度对封孔浆体劈裂压力的影响。

3.1 浆液流变性能与封孔浆体劈裂压力的关系

已知孔壁内径R2=0.045 m，灌浆管外径R1=0.032 5 m，封孔起劈压力P0=0.162 MPa，浆液重度γg=15.1 kN/m3，假定同心环状裂隙灌浆速度q孔=0.1 L/s、裂隙开度2a=0.002 m，当封孔浆体高度H0在5～40 mm范围内时，其劈裂压力与灌浆料塑性黏度的关系见图3。

由图3可知，当灌浆料的塑性黏度加大时封孔浆體的劈裂破坏压力随之明显提高，随封孔浆体高度H0增加，灌浆料的塑性黏度对封孔浆体劈裂压力的影响增大。所以，提高灌浆料的流变性能（提高塑性黏度和屈服应力），可以有效提高浆体的封孔性能。根据前述结论，工程中在浆液中提高黏土掺量的做法可以有效提高灌浆浆液塑性黏度及屈服应力，但实践证明，随黏土掺量的增加，浆液结石后期强度下降明显，因此黏土掺量以不超过固体总量的50%为宜[19]。

3.2 浆体强度对其劈裂压力的影响

设通过同心环状裂隙的灌浆速度q孔=0.1 L/s，裂隙开度2a=0.002 m，封孔浆体高度、强度与封孔浆体劈裂压力的关系见图4。由图4可知，封孔浆体强度与其劈裂压力线性相关，随封孔浆体的度厚增加，其劈裂压力相应增大。但是，随强度和高度增加，封孔浆体对灌浆管的握裹力也相应提高，这会加大施工过程中的拔管难度，因此封孔浆体的强度不宜超过0.3 MPa[19]。

4 结 论

影响封孔浆体劈裂压力及保压时间的因素主要有浆料强度、裂隙开度、浆液流变性及浆体高度;封孔浆体的劈裂压力与注浆料的流变性相关，随封孔浆料强度增大而相应变大;封孔浆体劈裂压力随裂隙开度的增大而降低，裂隙开度对劈裂压力的影响随封孔浆体高度的增加明显增大;适当提高封孔浆体强度可以有效减小裂隙开度，提高封孔浆液浓度也有利于获得较大的塑性黏度和屈服应力，确保浆体封孔效果。

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【责任编辑 张智民】

收稿日期：2018-06-12

基金项目：江苏省教育厅优秀中青年教师境外研修项目（2016）

作者简介：葛建（1972—），男，江苏南通人，副教授，博士研究生，研究方向为岩土工程

E-mail：nt-gejian@163.com