(桓仁縣水務(wù)移民服務(wù)中心，遼寧 桓仁 117200)

在水利工程建設(shè)領(lǐng)域，地下涌水一直是地下洞室工程建設(shè)需要面臨的重要問題。顯然，在地下巖體中存在的交切式裂縫，是突水涌沙事故的主要癥結(jié)所在[1]。如果工程區(qū)域存在承壓水的情況，問題會更加復(fù)雜和突出。鑒于工程地質(zhì)問題的復(fù)雜性、隱蔽性和突發(fā)性，富水地層地下洞室建設(shè)中的涌水、涌沙問題一直是工程建設(shè)的極大的困擾。因此，為了保證地下洞室建設(shè)的安全，必須要對高壓地下水利用工程技術(shù)措施進行控制和疏導(dǎo)。注漿防滲技術(shù)是治理上述地質(zhì)災(zāi)害的重要手段，被廣泛應(yīng)用于地下設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展空間[2]。目前，注漿加固止水技術(shù)研究局限于單一裂隙或均勻分布的裂隙方面的模擬實驗[3-4]，地下注漿工程中的滲流場、應(yīng)力場與溫度場之間的耦合作用可以導(dǎo)致應(yīng)力改變、裂隙變化和滲流性質(zhì)和狀態(tài)的變化。本文研究將傳統(tǒng)的單裂隙巖體模擬擴展為三維正交裂隙網(wǎng)絡(luò)，在考慮溫度場和應(yīng)力場的條件下，進行三維裂隙網(wǎng)絡(luò)的動水注漿試驗，以期為相關(guān)工程建設(shè)提供必要的理論支持。

1 試驗裝置

圖1 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

試驗裝置主要由定水頭動水裝置、漿液泵送裝置、三維裂隙巖體模擬裝置、數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)、稱重裝置等設(shè)備組成[5]。其中，三維裂隙巖體模擬裝置以李鵬等設(shè)計的透明土試驗裝置為基礎(chǔ)進行改進，設(shè)計出本次試驗需要的小型試驗平臺，并在上面進行注漿模型的搭建[6]。在實驗平臺上，按照水平和垂直間距均為25.50mm布設(shè)螺紋孔。利用沖孔角鋼制作模型的腳架，并與試驗平臺連接。利用氣缸施加軸向荷載，以模擬施工現(xiàn)場的地應(yīng)力條件。為方便溫度條件的施加，試驗在恒溫恒濕房間進行，整個試驗?zāi)Ｐ偷耐庥^設(shè)計見圖1。采用厚度為8mm的亞克力材料制作的棱長20cm的立方體容器作為裂隙巖體模擬裝置，三維正交網(wǎng)絡(luò)裂隙巖體采用64塊棱長50mm的人造水晶立方體塊，各塊之間用墊片隔開，以保留寬度為1mm的縫隙。試驗采用體積比為2∶1的脲醛樹脂與草酸混合液作為注漿漿液，通過空氣壓縮機以0.02MPa的注漿壓力注入模型[7]。

2 試驗方案設(shè)計

三維正交裂隙網(wǎng)絡(luò)動水注漿耦合試驗，主要目的是研究不同溫度下化學(xué)漿液在動水中的擴散情況與封堵效果。結(jié)合相關(guān)研究成果和施工經(jīng)驗，試驗中選取0.50cm/s、0.60cm/s、0.70cm/s三種不同的動水流速；選擇10℃、20℃、35℃和50℃四種不同的溫度展開試驗[8]。試驗的主要步驟如下：按照試驗要求模型容器中放置好石英塊體，將容器固定在試驗平臺上，并固定好相機位置；在模型中模擬裂隙上方放置一塊亞克力板，并做好支撐，保證注漿試驗期間裂隙面不會鼓起，布置好注漿管路，排凈管中的空氣，打開圖象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開始注漿試驗，在完成一組試驗后清理試驗設(shè)備，并準(zhǔn)備進行下一組試驗。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 堵水率計算分析

根據(jù)試驗設(shè)計，共需要進行三維正交裂隙動水注漿擴散試驗12組，本次試驗考慮的為等效堵水率，也就是注入漿液量相同條件下的堵水情況，因此對相關(guān)文獻中的堵水率計算公式進行修正，結(jié)果如式(1)所示。并根據(jù)等效堵水率的大小將注漿堵水效果劃分為良好、一般、合格、較差四個等級。其中等效堵水率大于75為良好；50～75之間為較好；25～50之間為一般；25以下為較差。

(1)

式中 SEr——堵水率；

SE——等效堵水率；

SEmax——同流速下試驗最大堵水率。

根據(jù)式(1)計算不同流速和溫度工況下的堵水率(見表1)。從表中結(jié)果可以看出，在漿液的溫度和注入體積相同的條件下，動水流速較低時可以獲得較好的堵水效果，尤其以35℃時堵水效果最好，顯示出溫度對堵水效果的重要影響。但是，隨著動水流速的增加，溫度較低時堵水效果較好，而高溫情況下的堵水效果并不理想。究其原因，主要是高溫會導(dǎo)致漿液快速在注漿口部位膠凝，導(dǎo)致后續(xù)漿液無法繼續(xù)壓入，進而影響到堵水效果。

表1 不同滲流和溫度工況下動水注漿堵水效果

3.2 漿液擴散距離特征分析

在試驗過程中利用在正面(相機1)和底部(相機2)設(shè)置的兩部相機進行拍攝，以研究漿液的擴散距離特征(動水流速為0.60cm/s條件下不同溫度漿液擴散距離特征見圖2～圖5)。其中，相機1拍攝的結(jié)果中，順?biāo)鞣较蚝湍嫠鞣较蚍謩e為x+和x-；垂直水流方向向上和向下分別為y+和y-；相機2拍攝時順?biāo)鞣较蚝湍嫠鞣较蚍謩e為x+和x-；垂直水流方向靠近和遠(yuǎn)離正面方向分別為y+和y-。圖2～圖5中，所有擴散距離試驗曲線上均用箭頭標(biāo)出了擴散距離變化的幾個轉(zhuǎn)折點，將擴散過程大致分為三個階段。由圖中的擴散曲線可知，前5s可視為漿液擴散的第一階段，該階段的漿液受壓力作用在裂隙中呈現(xiàn)出一種紊流狀態(tài)，主要沿裂隙中的主通道向四周快速擴散，各個方向上的擴散距離均在直線增大。不同溫度條件下第二階段的持續(xù)時間不等，在20～100s之間。在第二階段，漿液距離仍處于快速增加態(tài)勢，但是增加速度較第一階段明顯減緩，主要呈現(xiàn)出在漿液重力和順?biāo)麟p重作用下的近圓形擴散特征。在這一階段唯一不同的是在35℃條件下，漿液迅速膠凝化并與裂隙的邊界之間產(chǎn)生黏結(jié)力，阻止了漿液在重力作用下的向下運動，從而呈現(xiàn)出一種“漿堆現(xiàn)象”。在第三階段，漿液在重力的作用下沿豎直向下的方向擴散到一定程度，因此，主要受順?biāo)鞯淖饔茫尸F(xiàn)出順?biāo)鞣较虻钠露刃∮谀嫠鞣较蚱露鹊默F(xiàn)象。同時，該階段各個直線方向的擴散基本停止，而沿著角度的擴散仍舊在持續(xù)進行，呈現(xiàn)出順?biāo)鞣较蚪鼒A擴散的顯著特征。

圖2 10℃條件下漿液擴散試驗結(jié)果

圖3 20℃條件下漿液擴散試驗結(jié)果

圖4 35℃條件下漿液擴散試驗結(jié)果

圖5 50℃條件下漿液擴散試驗結(jié)果

3.3 動水流量試驗結(jié)果分析

研究中選取動水流速為0.60cm/s條件下，對不同溫度環(huán)境下的動水流量變化進行分析，結(jié)果見圖6～圖9。由圖可知，注漿過程中的動水流量可以劃分為四個主要階段：第一階段為平穩(wěn)滲流期，該階段出水口的水流量起伏變化較小，處于平穩(wěn)狀態(tài)。第二階段為多峰波動期，該階段的出水口流量呈現(xiàn)出明顯的起伏波動，出現(xiàn)反復(fù)上升下降的變化趨勢。究其原因，主要是漿液注入裂隙會對水流造成顯著的擾動，受到漿液膠凝和水流的耦合作用，裂隙內(nèi)的流通通道被反復(fù)封堵和打開，并由此造成曲線中的多峰現(xiàn)象。第三階段為動水流量的穩(wěn)定下降期，該階段由于漿液的大面積膠凝封堵，動水流量會持續(xù)減少。顯然，最終的堵水效果是由本階段動水流量的下降幅度決定的。但是，試驗中不同溫度條件下的下降幅度是明顯不同的，10℃和20℃條件下的下降幅度較后兩種溫度工況大，說明等效堵水效率也較高。第四階段為平穩(wěn)結(jié)束期，該階段漿液膠凝封堵了全部裂隙通道，但是并未擴散到全部裂隙網(wǎng)絡(luò)，因此四周邊界成為動水流動的主要邊界，因此動水流量也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 10℃條件下動水流量變化曲線

圖7 20℃條件下動水流量變化曲線

圖8 35℃條件下動水流量變化曲線

圖9 50℃條件下動水流量變化曲線

4 結(jié) 論

針對目前注漿加固止水技術(shù)研究局限于單一裂隙或均勻分布的裂隙方面的模擬實驗的現(xiàn)狀，本文在考慮溫度場和應(yīng)力場的條件下，進行三維裂隙網(wǎng)絡(luò)的動水注漿耦合試驗，并獲得如下主要結(jié)論：動水流速較低時堵水效果都很好，尤其以35℃時堵水效果最好，顯示出溫度對堵水效果的重要影響，但是，隨著動水流速的增加，溫度較低時堵水效果較好，而高溫情況下的堵水效果并不理想；注漿過程中的漿液擴散過程大致分為壓力作用下沿裂隙擴散、重力和順?biāo)麟p重作用下的近圓形擴散以及重力作用下沿順?biāo)鞣较蚪鼒A擴散三個主要階段；注漿過程中的動水流量可以分為平穩(wěn)滲流期、多峰波動期、穩(wěn)定下降期和平穩(wěn)結(jié)束期四個主要階段，堵水效果主要受第二和第三階段的影響。