廖志煌，閆思泉，曾志全，韓華超，邱士利，李 平

（1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430068；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450000；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310014；4.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢 430071；5.中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

建設(shè)中人們經(jīng)常在含劣質(zhì)巖的破碎地層中修建隧道的工程，當(dāng)隧洞下穿外水源強(qiáng)透水地層的直接后果是地表水源通過(guò)滲流或徑流通道倒灌到施工隧洞中形成涌水災(zāi)害［1］，直接威脅工程安全。此外，滲透壓的變化有直接影響隧洞支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性［2］。為了加固圍巖和控制水動(dòng)力場(chǎng)的不利影響，施工中需要采用固結(jié)灌漿的方式處理隧洞上層圍巖。

固結(jié)灌漿可提高圍巖穩(wěn)定性，使相關(guān)巖土地層達(dá)到工程實(shí)踐的要求，其在路橋隧洞、礦業(yè)、建筑等行業(yè)中的使用達(dá)200多年歷史［3］。眾多學(xué)者對(duì)注漿問(wèn)題進(jìn)行了研究，但更多的是關(guān)于固結(jié)灌漿對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)的改善。

針對(duì)漿液在劣質(zhì)巖體裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律研究，趙林［4］通過(guò)數(shù)值模擬，得出注漿的擴(kuò)散范圍隨注漿時(shí)聞加長(zhǎng)而快速增長(zhǎng)，然后趨于平穩(wěn)；節(jié)理越長(zhǎng)，巖體的可灌性越好、漿液范圍越大、注漿結(jié)束時(shí)間越短。朱明聽(tīng)等［5］認(rèn)為漿液注漿效果受注漿壓力，注漿孔直徑，水力開(kāi)度影響。趙磐［6］基于線性源理論，模擬了漿液的擴(kuò)散過(guò)程，推導(dǎo)出滲透注漿漿液擴(kuò)散公式。范佳?。?］通過(guò)數(shù)值模擬灌漿效果受注漿壓力，水灰比，水力開(kāi)度，節(jié)理的角度、間距、跡長(zhǎng)影響。王強(qiáng)等［8-9］通過(guò)數(shù)值模擬得出注漿壓力，水灰比，水力開(kāi)度對(duì)注漿擴(kuò)散范圍起到主導(dǎo)作用；注漿壓力，注漿管長(zhǎng)度和裂隙開(kāi)度對(duì)注漿量起到主導(dǎo)作用。O.Saeidi等［10-11］認(rèn)為注漿的擴(kuò)散范圍主要受注漿壓力，水灰比，水力開(kāi)度，節(jié)理的角度、間距、跡長(zhǎng)，摩擦角的影響。Ali Mortazavi［12］結(jié)合伊朗某大壩地質(zhì)，通過(guò)數(shù)值模擬系統(tǒng)地分析灌漿效果受注漿壓力、水灰比、水力開(kāi)度、節(jié)理角度、間距、跡長(zhǎng)、摩擦角的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)漿液在巖體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了大量研究，但多為基于單鉆孔中的水平裂隙的情況。結(jié)合工程實(shí)踐中的地質(zhì)分層，進(jìn)行分層多孔注漿的研究仍然缺乏。結(jié)合地層特質(zhì)和漿液自身屬性，以此改善注漿的設(shè)計(jì)參數(shù)，保證注漿效果。固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)參數(shù)需要注漿相關(guān)理論的指導(dǎo)。因此本文將依托鄂北地區(qū)水資源配置有關(guān)工程實(shí)測(cè)資料，結(jié)合工程實(shí)踐中的地質(zhì)分層，進(jìn)行分層多孔注漿模擬，揭示固結(jié)灌漿參數(shù)與該地區(qū)注漿效果增量的控制關(guān)系，并提出相關(guān)注漿設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 UDEC基本原理

UDEC關(guān)于流體流動(dòng)的類(lèi)型分為完整巖體和結(jié)構(gòu)面。本文探討的是漿液在裂隙巖體中擴(kuò)散情況，只考慮漿液在裂隙中流動(dòng)。所以結(jié)合UDEC的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)定完整巖體本身對(duì)漿液不滲透進(jìn)行數(shù)值模擬?；赨DEC進(jìn)行模擬巖體內(nèi)部漿液流動(dòng)為滲流應(yīng)力耦合計(jì)算，屬于非連續(xù)性介質(zhì)。

1.1 漿液流動(dòng)計(jì)算

流體流動(dòng)在UDEC的數(shù)值模擬中，利用裂隙網(wǎng)絡(luò)將整個(gè)系統(tǒng)劃分成多個(gè)區(qū)域，通過(guò)闡述裂隙里的流體的流動(dòng)狀態(tài)來(lái)定義。這多個(gè)區(qū)域中含有流體，每個(gè)區(qū)域之間的接觸方式也不盡相同，導(dǎo)致流體流動(dòng)的描述方式也不同。存在著邊接觸和點(diǎn)接觸兩種接觸方式。

1.1.1 點(diǎn)接觸

點(diǎn)接觸給出了壓力為p1的區(qū)域到壓力為p2的區(qū)域的流量。

KC為接觸的滲透系數(shù)；ρw是流體密度；y1，y2分別為各區(qū)域的中心坐標(biāo)。

1.1.2 邊邊接觸

邊與邊的方式，即漿液所在區(qū)域中，通過(guò)離散塊體邊進(jìn)行接觸。流體流量使用壓力差進(jìn)行計(jì)算，不考慮流體黏度時(shí)變特性，公式如（3）所示。

kj為裂隙滲透系數(shù)；a是相鄰區(qū)域邊與邊的孔徑；l是接觸區(qū)域間距離。

1.2 裂隙內(nèi)漿液壓力的計(jì)算

在數(shù)值模擬計(jì)算中，通過(guò)對(duì)每一步的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果，重新確定新的數(shù)值和模型的幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)公式（3），計(jì)算流體的流量。

其中ΔVf為漿液在區(qū)域內(nèi)體積增量，∑q為漿液在裂隙巖體的總流量，Δtf為漿液時(shí)間步長(zhǎng)。在流體計(jì)算的過(guò)程中，UDEC將會(huì)對(duì)新生成區(qū)域反復(fù)計(jì)算，然后計(jì)算公式依據(jù)不同的接觸形式得到流體通過(guò)各個(gè)接觸點(diǎn)的流量，以及流入不同區(qū)域的總流量。因?yàn)轶w積變化量是不同區(qū)域由應(yīng)力變化所導(dǎo)致的，通過(guò)計(jì)算公式求得各個(gè)區(qū)域內(nèi)流入流體的壓力如公式（5）所示［13］。

其中，p0為區(qū)域內(nèi)原有的壓力；Q為流入?yún)^(qū)域中地下水的總流量；ΔV=V-V0，Vm=(V0+V)/2，V0和V分別為區(qū)域內(nèi)原來(lái)的體積和現(xiàn)在的體積；kw是漿液體積模量。

2 工程背景

鄂北水資源配置工程是國(guó)家政府規(guī)劃實(shí)施的重要民生工程。該工程隧洞沿線地層有多處劣質(zhì)巖地層，地層分布較為復(fù)雜。隧洞施工與地表耦聯(lián)性強(qiáng)。隧洞埋深淺，上覆厚度最薄處僅21 m，隧洞近距離下穿20多個(gè)堰塘、河流以及數(shù)個(gè)村莊，當(dāng)隧洞開(kāi)挖至該洞段時(shí)，極易導(dǎo)致水動(dòng)力與圍巖力學(xué)響應(yīng)耦合形成隧洞冒頂或掌子面塌方，甚至形成通天式煙囪型破壞和地面陷落，直接威脅工程安全。由此帶來(lái)諸多工程災(zāi)害，給工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)和難題。然而抗?jié)B防水甚至排水設(shè)計(jì)等是個(gè)非常復(fù)雜且系統(tǒng)的科學(xué)課題，不但與工程地層分布規(guī)律和強(qiáng)透水層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，還涉及施工密切相關(guān)的控制措施的耦合作用。因而，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，提出相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，是解決鄂北地區(qū)水資源配置工程杜家河段引水隧洞地下水下滲影響圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題的關(guān)鍵。

3 建立數(shù)值模型

本文基于UDEC建立賓漢漿液滲流模型，進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)鄂北地區(qū)水資源配置工程中杜家河地段的實(shí)際地質(zhì)情況，通過(guò)杜家河位置條件和工程問(wèn)題結(jié)合，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣工作，如圖1所示。杜家河邊取樣位置選取一個(gè)位于兩個(gè)注漿孔之間（1號(hào)位），一個(gè)位于距離注漿孔30 cm處（2號(hào)位），在兩處各設(shè)置一個(gè)深孔，對(duì)取出土樣的分析，可劃分為沙礫層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層。在模擬中我們統(tǒng)一將地層從上至下分為沙礫層（0～-4 m）、全風(fēng)化層（-4 m～-8.5 m）、強(qiáng)風(fēng)化層（-8.5 m～-10.5 m）、弱風(fēng)化層（-10.5 m～-50 m）。通過(guò)對(duì)取樣結(jié)果進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)獲得部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合《工程地質(zhì)手冊(cè)》［14］實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)資料，設(shè)定裂隙開(kāi)度為0.1 mm，輸入不同地層的巖體參數(shù)，如表1所示。

在杜家河實(shí)際工程中位多注漿孔，而UDEC是二維模擬軟件，在二維中可使用雙注漿孔模擬得出多注漿孔結(jié)論。利用VORONOI隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建巖體裂隙節(jié)理,依此建立一個(gè)長(zhǎng)110 m，深50 m大小的模型。灌漿孔直徑為10 cm，由地面延伸至地下19 m處在10～19 m深處進(jìn)行注漿模擬，設(shè)置雙注漿孔。注漿孔間距設(shè)置10 m時(shí)，模型如圖2所示。

4 數(shù)值模擬

為了評(píng)估雙注漿孔間距在不同的注漿壓力、漿液水灰比情況下的注漿效果，設(shè)定不同的注漿孔間距參數(shù)（4 m、6 m、10 m、14 m），不同的注漿壓力參數(shù)（0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、4 MPa），不同的漿液水灰比參數(shù)（0.4、0.5、0.6、0.7、1）。設(shè)計(jì)100個(gè)數(shù)值模擬模型進(jìn)行模擬，所得的部分模型注漿范圍如圖3所示。

表1 輸入?yún)?shù)

圖1 取樣現(xiàn)場(chǎng)

圖2 數(shù)值模擬模型

5 設(shè)計(jì)參數(shù)的提出

結(jié)合鄂北地區(qū)水資源配置工程，杜家河段工程的實(shí)際工況，隧洞洞頂位于地下21 m處。根據(jù)圖4的結(jié)果分析，在使用0.4水灰比的注漿漿液，在注漿孔間距為4 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于4 MPa；在注漿孔間距為6 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于4 MPa；不建議設(shè)置注漿孔間距大于6 m。

圖3 部分模型注漿效果

在進(jìn)行漿液注漿時(shí)，設(shè)定0.5的水灰比。在注漿孔間距為4 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于2 MPa；在注漿孔間距為6 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于4 MPa；在注漿孔間距為10 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于4 MPa。不建議設(shè)置注漿孔間距大于10 m。

在使用水灰比為0.6的注漿漿液，在注漿孔間距為4 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于1.5 MPa；在注漿孔間距為6 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于2 MPa；在注漿孔間距為10 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于4 MPa；在注漿孔間距為14 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于4 MPa。

在使用水灰比為0.7的注漿漿液，在注漿孔間距為4～6 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于1 MPa；在注漿孔間距為10 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于1.5 MPa；在注漿孔間距為14 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于2 MPa。

在使用水灰比為1的注漿漿液，在注漿孔間距為4～10 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于0.5 MPa；

在注漿孔間距為14 m處時(shí)，建議注漿壓力不低于1 MPa。

對(duì)于裂隙注漿工程而言，可先注入水灰比較高的漿液以保證漿液擴(kuò)散距離達(dá)到設(shè)計(jì)值，然后注入水灰比較低的漿液以提升整個(gè)漿液擴(kuò)散區(qū)的濃度，保證注漿效果［15］。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)前人對(duì)裂隙巖體單因素控制作用下注漿擴(kuò)散的研究成果，結(jié)合鄂北地區(qū)杜家河段工程實(shí)際地質(zhì)情況，基于UDEC建立賓漢漿液滲流模型，進(jìn)行地質(zhì)分層并劃分隨機(jī)節(jié)理，設(shè)置雙注漿孔，進(jìn)行注漿模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,可指導(dǎo)杜家河段工程的注漿施工,設(shè)計(jì)注漿孔間排距,注漿壓力以及水灰比等。

圖4 在不同漿液水灰比、注漿壓力、注漿孔間距的參數(shù)時(shí)的注漿效果