摘要
突涌水是地下工程建设与运营过程中的主要地质灾害,具有突发性高、致灾能力强、灾后处置困难等显著特点。因此,开展注浆扩散和地下水封堵机理研究,并发展相对应的突涌水封堵技术是地下工程水害治理的重要研究内容。通过理论分析、模型试验与数值模拟,深入研究了不同流型浆液在不同流场环境下扩散运移规律,分析其扩散形态与注浆压力分布规律,研究内容及主要成果如下：
(1)基于多个地下工程突涌水案例,分析了致灾水源、导水通道的具体形式及其突涌水灾害演化规律,将地下工程水害划分为节理裂隙型突涌水、富水断层破碎带突涌水、管道型突涌水及微孔隙与微裂隙型突涌水,针对其具体特征提出科学合理的处置原则。
(2)研究了牛顿流体与宾汉姆流体在单一平板裂隙内流量与压力梯度关系,建立了单一平板裂隙条件下的注浆扩散运移方程,得出注浆压力计算方法并应用数值模拟对牛顿流体扩散运移方程进行了验证。
(3)采用理论分析与数值模拟方法,针对时变性与非时变性浆液,研究了静水注浆、动水注浆、引流注浆过程中,浆液粘度、浆液流型、注浆速度、裂隙隙宽等参数对浆液扩散形态与注浆压力分布的影响,获得了不同浆液流型与不同流场环境条件下浆液扩散形态及注浆压力分布规律。
(4)研究了浆液扩散系数与水流速度对于浆水混合区域的影响,得出浆水混合区域宽度与浆液扩散系数的平方根成正比,与水流速度的平方根成反比,并将浆液扩散系数与水流速的乘积作为注浆设计中浆液选型的定量化指标。
Water inrush disaster which is the main geological disaster during the construction and operation of underground engineering has high Abruptness、serious damage and the handling of post-disaster is difficulty。Through theoretical analysis, model test and numerical simulation, the grout diffusion law of different type slurry in different flow conditions was studied; The diffusion forms, pressure distribution law was analyzed. The research contents and the main results are as follows:
(1)This paper firstly analyses the various hazard sources and water inrush disaster evolution rules, then take into account the specific forms of water channel, classify water inrush disaster into three main type:the structural water gushing, reveal gushing and contact zone water gushing, based on the main three type10subgroups are further divided and according to each specific characteristics, puts forward the science handling principle.
(2)Study on the relationship between Newton fluid and Bingham fluid flow in a single flat crack and pressure gradient. The diffusion control equation and the calculation method of grouting pressure is established under the condition of single plate fracture grouting, and the Newton fluid diffusion control equation was validated by numerical simulation.
Based on numerical simulation study the evolution of Grout diffusion form and grout pressure effected by the viscosity, grout rate, fracture width and grout type Given the contrast analysis of slurry diffusion morphology evolution characteristics and grouting pressure changes of different types of slurry flowing in single fracture under different flow field, proposed the selection of grouting slurry and parameter design principle aimed at specific flow field.
(4) The effect of grout diffusion coefficient and flow velocity on mixing width of water and slurry was researched. The mixing region width is proportional to the square root of the grout diffusion coefficient and is inversely proportional to water velocity. The product of grout diffusion coefficient and water velocity is used as a quantitative index of grouting design of grouting slurry selection
引文
[1]李术才,李树忱,张庆松,薛翊国,丁万涛,钟世航,何发亮,林玉山.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报,2007,02：217-225.
[2]蒙彦,雷明堂.岩溶区隧道涌水研究现状及建议[J].中国岩溶,2003,04：38-43.
[3]李术才,薛翊国,张庆松,李树忱,李利平,孙克国,葛颜慧,苏茂鑫,钟世航,李貅.高风险岩溶地区隧道施工地质灾害综合预报预警关键技术研究[J].岩石力学与工程学报,2008,07：1297-1307
[4]何满潮,谢和平,彭苏萍,姜耀东.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,16：2803-2813
[5]黄宏伟.隧道及地下工程建设中的风险管理研究进展[J].地下空间与工程学报,2006,01：13-20.
[6]李治国.隧道岩溶处理技术[J].铁道工程学报,2002,04：61-67.
[7]李泽龙.歌乐山隧道水环境保护及堵水注浆设计[A].中国铁道学会.铁路长大隧道设计施工技术研讨会论文集[C].中国铁道学会：,2004：6.
[8]杨米加,陈明雄,贺永年.注浆理论的研究现状及发展方向[J].岩石力学与工程学报,2001,06：839-841.
[9]郝哲,王介强,刘斌.岩体渗透注浆的理论研究[J].岩石力学与工程学报,2001,04：492496.
[10]罗恒.注浆理论研究及其在公路工程中的应用[D].中南大学,2010.
[11]孙斌堂,凌贤长,凌晨,朱国荣.渗透注浆浆液扩散与注浆压力分布数值模拟[J].水利学报,2007,11：1402-1407.
[12]杨志全,侯克鹏,郭婷婷,马秋.黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆机制研究[J].岩土力学,2011,09：2697-2703.
[13]阙云,刘强华,李丹,孙远,梁永富.渗透注浆扩散理论探讨[J].重庆交通学院学报,2006,05：105-108.
[14]钱自卫,姜振泉,曹丽文，孔强.弱胶结孔隙介质渗透注浆模型试验研究[J].岩土力学，，：1.
[15]战玉宝,宋晓辉,陈明辉.岩土注浆理论研究进展[J].路基工程,2010,02：20-22.
[16]邹金锋,李亮,杨小礼,王志斌,何长明.压密注浆的能量分析方法[J].岩土力学,2006,03：475478.
[17]王广国,杜明芳,苗兴城.压密注浆机理研究及效果检验[J].岩石力学与工程学报,2000,05：670-673.
[18]杨旭朝.压密注浆对土体微观结构的影响研究[J].城市道桥与防洪,2011，08：126-128+11-12
[19]邹金锋,李亮,杨小礼.劈裂注浆扩散半径及压力衰减分析[J].水利学报,2006,03：314-319.
[20]李冠奇.致密土体劈裂注浆的力学机理及试验研究[D].铁道部科学研究院,2006.
[21]李振钢.砂砾层渗透注浆机理研究与工程应用[D].中南大学,2009.
[22]Reuben H. Karol. Chemical Grouting and Soil Stabilization [M].3 rd ed. New York, NY: Marcel Dekker, Inc.,2003.
[23]USA. The State of Art-Soil Grouting. Final report,1978.
[24]马海龙,杨敏,夏群.对基于渗透注浆理论公式的探讨[J].工业建筑,2000,30(4)：47-51.
[25]潘志强,张彬.均匀砂层渗透注浆计算方法的研究[J].岩土工程界,2003,7(5)：34-37
[26]蒋伟成,倪文耀.钻孔注浆的理论分析和控制技术[J].碟扩安全,1994,4：14-15.
[27]李兆敏,蔡国琰.非牛顿流体力学[M].东营：石油大学出版社,1998.
[28]代平.低渗透应力敏感油藏实验及数值模拟研究[D].西南石油大学博士学位毕业论文.
[29]罗海山.裂缝性油藏稠油蒸汽注采数值模拟自适应网格法的研究[D].中国科学技术大学博士学位毕业论文.
[30]陈家军,尚光旭,杨官光,田亮.多孔介质水油两相系统相对渗透率与饱和度关系试验研究[J].水科学进展,2009,13(2)
[31]Baker, Wallace Hayward. Planning and Performing Structural Chemical Grouting [J]. Grouting in Geotechnical Engineering, Proceedings of the Conference, ASCE,1982:515-539
[32]刘嘉材.裂缝灌浆扩散半径研究[C].中国水利水电科学院科学研究论文集(第8期)[C],北京：水利出版社,1982：186-195.
[33]郝哲,王介强,刘斌.岩体渗透注浆的理论研究[J].岩石力学与工程学报,2001,04：492-496.
[34]许万忠,潘进兵,周治平,孙绍飞.节理裂隙岩体注浆渗透模型分析[J].中国铁道科学,2010,03：47-51.
[35]罗平平,李志平,范波,张玉军.倾斜单裂隙宾汉浆液流动模型理论研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2010,01：43-47.
[36]石达民.驱水注浆过程中浆液运动规律及其对参数计算的影响[J].金属矿山,1988,02：28-33.
[37]G.隆巴迪,灌浆强度的选择[J],水利水电快报,1997,18(2)：1-6
[38]G.Lombardi现代灌浆技术译文集[C],北京：水利电力出版社,1991：76—81
[39]0.10.卢什尼科娃,贺江秋译,根据钻孔流量仪测定资料确定岩石的裂隙性质[J],国外煤田地质,1987(2)
[40]W.Wittke采用膏状稠水泥浆灌浆新技术[J],现代灌浆技术译文集[C],北京：水利电力出版社,1991：48-58
[41]杨晓东,刘嘉材.水泥浆材灌入能力研究[C].中国水利水电科学院科学研究论文集(第27集).水利电力出版社,1987,184-191
[42]Hassler, Letal, Simulation of grouting in Jointed rock, Proc.6thlnt.Conf.On Rock Mech., V.Z, 1987
[43]阮文军.基于浆液粘度时变性的岩体裂隙注浆扩散模型.岩石力学与工程学报,2005,24(15),2709-2714
[44]郑长成.岩体裂隙内稳定水泥浆液扩散范围的理论分析[J].水利与建筑工程学报,2006,4(2),1-5.
[45]葛家良.化学灌浆技术的发展与展望[J].岩石力学与工程学报,2006,25(增2)：3384-3392
[46]郑玉辉.裂隙岩体注浆浆液与注浆控制方法的研究[D].长春：吉林大学博士学位论文,2005
[47]Graf, Edward D. Compaction Grouting Technique and Observations, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE,1969:1151-1158
[48]Brown, Douglas Rand Warner, James, Compaction Grouting, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE,1973:589
[49]ames Warner, Norbert Schmidt, John Reed. Recent Advances in Compaction Grouting Technology[J]. ASCE GSP,1992,30:252-264
[50]韩金田.复合注浆技术在地基加固中的应用研究[D].中南大学,2007.
[51]李向红.CCG注浆技术的理论研究与应用研究[博士后论文].上海：同济大学,2002.
[52]黄戡.裂隙岩体中隧道注浆加固理论研究及工程应用[D].中南大学,2011.
[53]杨秀竹.静动力作用下浆液扩散理论与试验研究[D].长沙：中南大学博士论文,2005
[54]邹金锋.劈裂注浆机理分析及应用研究长沙[D].长沙：中南大学博士学位论文,2004.
[55]李冠奇.致密土体劈裂注浆的力学机理及试验研究[D].铁道部科学研究院,2006.
[56]张忠苗,邹健.桩底劈裂注浆扩散半径和注浆压力研究[J].岩土工程学报,2008,30(2)；181-185.
[57]孙锋,陈铁林,张顶立,等.基于宾汉体浆液的海底隧道劈裂注浆机理研究[J].北京交通大学学报,2009,33(4)：1-6
[58]任克昌.在动水中化学浆液的流动规律和灌浆方法[J].水利水电技术,1982,07：57-61+50.
[59]郑玉辉.裂隙岩体注浆浆液与注浆控制方法的研究[D].长春：吉林大学博士学位论文,2005.
[60]湛铠瑜,隋旺华,王文学.裂隙动水注浆渗流压力与注浆堵水效果的相关分析[J].岩土力学,2012,09：2650-2655+2662.
[61]张改玲,湛铠瑜,隋旺华.水流速度对单裂隙化学注浆浆液扩散影响的试验研究[J].煤炭学报,2011,36(3)：403-406.
[62]白俊平.GIN法灌浆技术试验研究[D].太原理工大学,2003
[63]郑玉辉.基岩优化灌浆稳定浆液试验研究[J].岩土工程界,2008,03：78-80
[64]黄宏伟,杨慧芳,陈杰生.煤气柜地基的劈裂注浆—注水预压处理和分析[J].工业建筑,1996(8),7-11
[65]薛翊国,李术才,赵岩,苏茂鑫,李为腾,丁志海.青岛胶州湾海底隧道F_(4-4)含水断层注浆前后TSP探测分析[J].山东大学学报(工学版),2009,02：108-112.
[66]赵继增.青岛胶州湾海底隧道涌水断层全断面帷幕注浆技术研究[J].山东大学学报(工学版),2009,06：116-120.
[67]张民庆,张文强,孙国庆.注浆效果检查评定技术与应用实例[J].岩石力学与工程学报,2006,S2：3909-39 18
[68]冯旭海.压密注浆加固抬升效应与机理的探讨[J].岩土工程界,2008,11：27-30
[69]胡继承.裂隙岩体中的现场注浆试验研究[D].中南大学,2005.
[70]杨秀竹,雷金山,夏力农,王星华.幂律型浆液扩散半径研究[J].岩土力学,2005,11：112-115
[71]郝哲,王介强,何修仁.岩体裂隙注浆的计算机模拟研究[J].岩土工程学报,1999,21(6)：727-730
[72]杨米加,贺永年,陈明雄.裂隙岩体网络注浆渗流规律[J].水利学报,2001(7)：41-46
[73]陈剑平.岩体随机不连续面三维网络数值模拟技术[J].岩土工程学报,2001,23(4)：397-402
[74]于青春,大西有三.岩体三维不连续裂隙网络及其逆建模方法[J].地球科学—中国地质大学学报,2003,28(5)：522-526
[75]KULATILAKE P H S W, et al. Joint network modeling with a validation exercise in Stripa Mine Sweden[J]. Int J Rock Mech Sci & Geomech Abstr,1993(1):1-23
[76]李宁.灌浆的数值仿真分析模型探讨[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3)：326-330
[77]吴顺川.袖阀管注浆技术改性土体研究及效果评价[J].岩土力学,2007,28(7)：1353-1358
[78]郑鹏武.齐岳山隧道注浆必要性的数值分析与论证[J].铁道建筑,2006,1,36-38.
[79]王德明.煤矿水害事故原因分析及其防治管理途径[A].中国煤炭机械工业协会.第三届全国煤矿机械安全装备技术发展高层论坛暨新产品技术交流会论文集[C].中国煤炭机械工业协会：,2012：4
[80]刘永贵.山东省煤矿水害特征及防治技术途径研究[D].山东科技大学,2007
[81]唐军.临海复杂砂层的基坑支护隔水帷幕设计与实践[J].岩土工程学报,2012,S1：548-551
[82]周利华.矿山安全减灾系统科学——矿山灾害学[J].中国工程科学,2003,07：90-94
[83]丁尚仁.煤矿水害的防治[J].煤炭技术,2001,11：34-35.
[84]宣以琼.安徽省煤矿水害防治现状与对策[J].煤矿安全,2010,05：117-119.
[85]尹会永,卜昌森,魏久传,朱鲁,郭建斌.山东省煤矿水害类型及其防治对策[J].矿业安全与环保,2009,06：79-81