岩溶涌水灾害注浆扩散机制研究

戚 厚 羿

(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)



岩溶涌水灾害注浆扩散机制研究

戚 厚 羿

(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

针对不同类型的岩溶涌水灾害，分析了节理裂隙、集中涌水通道及大型岩溶结构等三种导水及储水结构注浆治理过程中压力、注浆量的变化特征，并在此基础上研究了这三种结构注浆封堵浆液的扩散机制，对减少岩溶涌水灾害的发生有一定的意义。

岩溶涌水，注浆特征，扩散机制，浆液

0 引言

岩溶涌水灾害注浆治理过程中，由于围岩条件及涌水量的差异，注浆过程具有明显的特征差异。文章依托湖南省龙永高速公路大坝隧道岩溶涌水注浆处治工程，实时记录了200余个钻孔的注浆压力、注浆量等数据，研究了节理裂隙、集中涌水通道及大型岩溶结构等三种导水及储水结构注浆治理过程中的注浆压力、注浆量的变化特征，对岩溶涌水灾害注浆治理理论与技术的研究具有一定的指导意义，对于保证地下工程施工及运营安全，减少涌水灾害造成的经济、环境损失具有重要意义。

1 岩溶涌水治理注浆特征及分析

1.1 导水节理裂隙封堵注浆特征

以大坝隧道突涌水灾害治理工程为依托，通过对大量钻孔注浆过程进行记录，经过严格筛选，获得了数十个裂隙型涌水钻孔注浆资料。为研究注浆过程中注浆速率、压力的变化规律，分别对各个钻孔的注浆全过程进行研究，绘制注浆特征曲线，分析注浆量、压力随时间的变化规律。图1～图4给出了部分钻孔注浆特征曲线。

分析钻孔注浆特征曲线，发现节理裂隙类涌水注浆具有以下特征：1)注浆吃浆量较小，一般注浆量在10 m3以内。部分钻孔，由于裂隙开度过小，水泥单液浆渗入困难，注浆量极小。2)开始阶段，注浆速率快，压力上升较为缓慢；注浆后期，主要裂隙网络被封堵，注浆压力逐渐上升，而注浆速率急剧减小。3)压力曲线上升转折点和注浆速率曲线减小转折点基本为同一时间点，即注浆30 min时，据此可以将注浆过程分为两个阶段：注浆压力平稳阶段和注浆压力上升阶段。

1.2 集中涌水通道封堵及大型岩溶储水结构治理注浆特征

通过对大坝隧道突涌水灾害治理工程中数十个揭露岩溶涌水管道或溶腔、溶洞结构的钻孔注浆过程的记录和研究分析，发现在集中涌水通道及大型岩溶储水结构的注浆治理中，注浆过程具有明显的特征相似。因此，将两种类型岩溶涌水治理注浆特征共同研究。部分钻孔注浆特征曲线见图5，图6。

分析钻孔注浆记录及注浆特征曲线发现注浆过程具有如下特征及相似之处：1)注浆量极大。揭露集中涌水通道或大型溶腔、溶洞结构的钻孔，持续注浆时间长，注浆量极大，甚至会出现单个钻孔持续注浆长达10 d以上，累计注浆量到达1 000 m3的现象。2)注浆压力在较低水平持续徘徊，注浆接近结束时注浆压力急剧增大。认为主要原因是：在该类涌水及储水结构注浆过程中，浆液以充填涌水管道、大型岩溶结构为主。注浆前期，岩溶本身的结构为浆液提供了大量的可充填扩散空间，浆液扩散阻力很小，注浆压力基本不提高；注浆后期，岩溶结构基本被浆液充填，浆液可扩散空间急剧减小到无，造成注浆压力迅速增大。因此，与导水节理裂隙封堵注浆类似，该类型也可以将注浆过程分为：注浆压力平稳阶段和注浆压力上升阶段。

2 节理裂隙型涌水注浆封堵扩散机制

受地质活动和岩溶水长期侵蚀作用的影响，岩体裂隙多呈网状发育。节理裂隙型涌水区域受节理裂隙发育影响，围岩条件一般较差。在该类型区域内，岩体裂隙是浆液的主要扩散通道及留存区域。

1)注浆压力平稳阶段，浆液以充填裂隙导水通道为主，浆液扩散的阻力较小，扩散模式可依据假设简化为渗透扩散。具体假设条件如下：裂隙特征相似，浆液在裂隙内的扩散运移阻力很小且相等；岩体具备各向同性特点，即在岩体内，浆液沿各方向同步渗透扩散；岩体孔隙率无变化，即注浆时，裂隙不会因注浆压力而扩展；注浆过程中，不考虑因析水、凝结等因素造成浆液的体积变化，浆液体积守恒。

由于在本阶段内注浆压力基本无变化，建立浆液扩散公式时，忽略注浆压力的影响。依据以上假设，裂隙岩体注浆压力平稳阶段，浆液扩散遵循式(1)：

(1)

其中，t为注浆时间；n为被注岩体孔隙率；r0为注浆管半径；r为浆液扩散半径；q为注浆速率。

2)注浆压力上升阶段过程中，由于前一阶段导水裂隙已基本被浆液封堵，而在常规的注浆压力作用下岩体不会被压缩，裂隙扩展产生的浆液可充填空间十分有限，导致该阶段注浆量较小。可以发现，注浆压力上升阶段累计注浆量变化小。因此，认为该阶段浆液扩散的范围基本不变化，注浆压力的提高仅作用于浆液对细窄裂隙的充填率，以此保障注浆封堵效果。

3 集中管道型涌水注浆封堵扩散机制

如之前所述，涌水量大的岩溶管道大多与大的含水结构联通，注浆量大、注浆时间长，且注浆过程中压力长时间不变化。

1)注浆压力平稳阶段，注浆过程注浆压力主要作用于浆液扩散管道阻力、地下水压力及内摩擦力。取浆液扩散通道内一段浆体进行受力分析，如图7所示。

假设浆液处于平衡状态，其平衡方程如下：

P·A=σf·l·C+fc·L·A+Pw·A

(2)

其中，P为注浆压力；A为浆液扩散通道断面面积；l为浆液扩散距离；C为浆液扩散通道断面周长；fc为浆液内摩擦力；Pw为地下水压力。

注浆浆液粘度较低时，管道阻力及浆液内摩擦力很小，对浆液扩散的影响可以忽略。因此式(2)可简化为：

P≅Pw

(3)

该阶段注浆压力基本无变化，所以决定浆液扩散距离的主要因素为注浆量。受限于岩溶涌水管道内部发育及联通情况无法探测，难以建立之间的关系方程。

注浆浆液粘度较高时，浆液内摩擦力将成为浆液扩散的主要阻力。因此导致速凝类浆液的扩散范围有限，不利于涌水通道的远端封堵。

2)注浆压力上升阶段。在注浆过程中，主要岩溶涌水管道被封堵后，即进入压力上升阶段。在该阶段，由于浆液扩散空间非常有限，注浆量较小，注浆压力急剧升高，所以浆液扩散范围基本也不再变化。

4 大型岩溶结构突涌水注浆扩散机制

溶腔、溶洞等大型岩溶储水结构引发的突涌水灾害的注浆治理过程中，由于岩溶空间发育范围大，导致注浆量极大。压力平稳阶段，浆液主要充填岩溶空间，基本无扩散阻力。压力上升阶段，由于大部分岩溶空间已被浆液填充，注浆量增长缓慢，注浆压力主要作用于充填介质的压密及周围岩裂隙的填充，注浆压力急剧提高。

5 结语

如前所述，受地下水流通路径及围岩条件影响，各类型岩溶涌水灾害注浆过程具有明显的特征差异。注浆过程中，浆液扩散与涌水通道封堵机制也大不相同。总体来说，因三种类型岩溶突涌水发生区域围岩条件的差异，注浆过程及浆液扩散特征明显不同。注浆治理中，需根据工程实际围岩条件，涌水发生情况，进行针对性技术及工艺改进，以确保突涌水灾害治理效果。

[1] 张 霄.地下工程动水注浆过程中浆液扩散与封堵机理研究及应用[D].济南：山东大学，2011.

[2] 李术才，张伟杰，张庆松，等.富水断裂带优势劈裂注浆机制及注浆控制方法研究[J].岩土力学,2014,35(3):744-752.

[3] 张庆松，韩伟伟，李术才，等.灰岩角砾岩破碎带涌水综合注浆治理[J].岩石力学与工程学报,2012(31):2412-2419.

[4] 李术才，张 霄，张庆松，等.地下工程涌突水注浆止水浆液扩散机理和封堵方法研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(12)：2377-2396.

Study on grouting diffusion mechanism of karst water bursting hazards

Qi Houyi

(ShandongUniversityGeotechnical&StructuralEngineeringResearchCenter,Jinan250061,China)

In light of different karst water bursting hazards, the paper analyzes pressure and grouting amount altering features in the grouting treatment of three kinds of water guiding and water storage structure including joint cracks, centralized water bursting channel and large-span karst structure, and studies grouting sealing slurry diffusion mechanism, which has certain meaning for reducing karst water bursting disasters.

karst water bursting, grouting features, diffusion mechanism, slurry

1009-6825(2017)06-0071-03

2016-12-18

戚厚羿(1992- )，男，在读硕士

P642.25

A