动水条件下裂隙岩体注浆扩散规律与堵水机理研究

The diffusion law and plugging mechanism of dynamic water grouting is an important theoretical problem in management of water inflow,The systematic study on diffusion law and plugging mechanism is conducted, through the method such as theoretical analysis, laboratory tests, model tests, numerical simulation etc. Cement grouting and typical gel-controllable slurry are adopted as representatives in this project. Based on the time-varying and rheology of slurry，applied groundwater dynamics and multiphase medium diffusion theory, slurry diffusion models(single fracture and cross fracture) are established. A new model device of dynamic water grouting is made. By using this device, factors on diffusion rule of grouting are analyzed. These factors include water pressure, flow rate, injection pressure and media characteristics of rock mass. The dynamic coupling mechanism is investigated, on interaction of dynamic water and grouting pressure. Diffusion and pressure dissipation equation are derived with different media characteristics and grouting parameters. Deep analysis on the process of slurry curing and blocking the water section, displacement and grouting- blocking mechanism of slurry are studied. A FEM program is fainted for numerical simulation of diffusion and grouting- blocking process in grouting engineering. The grouting material selection principles and grouting design parameters can be constructed on dynamic water condition. In a word, this project is rich in major theoretical and practical significance.

地下工程突涌水灾害治理中，动水条件下注浆扩散规律与封堵机理是急需解决的重大理论难题，本项目通过理论分析、室内试验、模型试验和数值模拟等手段，系统研究动水条件下普通水泥浆液和典型凝胶可控型浆液的扩散规律与堵水机理。以研究浆液的流变时变特性为基础，应用地下水动力学及多相介质扩散理论，建立单一、交叉裂隙浆液扩散模型；研制动水注浆模型装置并进行物理模拟试验，分析水压、流速、流量、注浆压力和被注介质特性对浆液扩散规律的影响，探讨浆液在动水和注浆压力共同作用下的动力学耦合机制，建立浆液在不同注浆参数、被注介质特性条件下的扩散方程和压力耗散方程。深入分析注浆过程中浆液固化和浆体受阻滞作用封堵过水断面的过程，研究浆体对动水的驱替作用机制与注浆封堵机理。编制有限元程序，实现对动水注浆扩散过程的数值模拟。建立动水条件下，注浆材料选择原则、注浆参数设计方法。研究对于地下工程涌水治理具有重大理论价值和实践意义。

随着我国交通、水电等基础设施建设重心逐渐向地质条件极端复杂的西部地区和岩溶地区转移，施工中遭遇的突涌水灾害治理难题堪称世界之最。注浆是突涌水灾害治理的有效方法，针对动水条件下注浆扩散规律与封堵机理的研究具有重大理论和实践意义。本项目对裂隙岩体动水条件下的水泥浆液和典型凝胶可控浆液的扩散与封堵进行了系统地理论推导、室内试验、模型试验和数值模拟研究。通过分析浆液的流型与分类，并采用室内试验方法获得浆液的粘度时变性特性，建立了浆液本构方程。通过理论推导，获得了动水条件下单一裂隙浆液扩散迹线方程与考虑浆液粘度时空变化的注浆扩散方程。本项目自主研发了大型准三维裂隙动水注浆试验台，对水泥浆液与典型凝胶可控浆液的动水扩散规律与封堵机理展开了模型试验研究，提出了水泥浆液动水扩散分区分层U形扩散机制、水泥水玻璃浆液非对称椭圆扩散机制以及高分子抗分散浆液的驱替扩散机制。单一裂隙动水注浆扩散试验结论与数值分析结果相符。采用数值计算方法对动水条件下交叉裂隙水泥浆液和水泥基速凝浆液扩散进行了求解，获得了交叉裂隙动水注浆扩散规律。项目组通过动水注浆封堵模型试验揭示了水泥浆液封堵快速析水分层原理与沉积流核机制，得出水泥浆液形成有效沉积扩散所对应的浆水比ζ的范围为[0.15-1.5]。分析水泥基速凝浆液单一裂隙动水封堵规律研究成果，提出了动水条件下的注浆封堵判据。得到了抗分散浆液驱替留存封堵机制引入了驱替扩散状态判断值DP找到了驱替扩散临界范围，即当DP≥36时，浆液发生驱替扩散。同时，本项目开展了相应的动水注浆封堵现场试验，验证了动水注浆扩散与封堵相关研究成果，并建立了注浆材料选择、注浆参数确定方法，试验结果修正完善了理论研究成果，可有效为为地下工程动水注浆封堵提供科学指导。