1.1 濕磨細水泥灌漿介質體的類型及可灌性理論

1.1.1 濕磨細水泥灌漿介質體類型和特征

濕磨細水泥灌漿的主要對象通常是巖體和混凝土中的空（裂）隙。將介質體中的空隙進行分類，并研究其灌漿的特點，對于弄清問題是很有幫助的。介質體中的空隙通常可劃分為以下三類。

1.1.1.1 片狀空隙

片狀空隙是指一種夾在兩塊巖石之間、分布面較廣的薄片狀空隙，如圖1-1所示。此類空隙在各類巖石中都可能存在，它是地殼中巖體在地殼構造運動中，受到擠壓、剪切、扭曲等應力的作用，或應力解除后由于巖石斷裂、層面或節理的脫開而成的。此外，混凝土壩體間的伸縮縫、陡坡段的接觸縫以及鋼板與混凝土之間的施工縫等，也都可歸為片狀空隙。在巖層中的此種裂隙，往往是縱橫交錯、互相連接且經常與地面空間溝通的，因此它們大多都能成為漿液活動和水庫滲漏的主要通道。

在具有片狀空隙的介質體中鉆孔，孔眼對它的切割，只能是一個很小的環形斷面，其斷面積等于2πrδ（r為鉆孔半徑，δ為裂隙寬度）。濕磨細水泥漿液通過孔眼進入裂隙以后，必定會沿著裂隙所展布的空間，按“徑向輻射形”向外流動。由于漿液每向外流動Δ r距離，控制液流的環形斷面就要擴大2π Δ rδ的面積，因此，漿液的前進速度和壓力將按照反比例迅速地減小。這就決定了灌漿只能填塞靠近孔眼的一段有限局部范圍，而不能填塞整個裂隙系統。

1.1.1.2 網狀管道與洞穴空隙

網狀管道與洞穴空隙主要發生在可溶性巖類中（石灰巖中最多、白云巖中較少）。它埋藏于地下的一些“暗管”、“溝槽”和容積有時很大的“洞穴”。在溶蝕程度較嚴重的石灰巖中，它們經常彼此溝通成一個復雜的網絡系統，如圖1-2所示，成為水庫的主要漏水通道。在一些熔巖中也會有此種空隙，那是由于熔巖巖漿在冒出地殼時內部氣體和液體溶出后而遺留下來的空隙。此外，在具有片狀裂隙的各類巖石中，如果這種裂隙的大部分已被次生物質所充填，則大多也還會遺留下一些可供漿液活動的管道狀空隙。鉆孔對此種空隙的切割，經常表現出偶然性。只有當孔眼遇到這種空隙系統時，才能表現出強烈的透水和吃漿。

漿液自某一切口進入這種管道型的空隙以后，在前進的道路上，如果沒有遇到與此相連的其他較大洞穴或“管道”，則控制漿液的斷面不會擴展得很大，流速也不會顯著減小。這樣，就像在輸漿管內流動一樣，漿液將流竄得很遠而不得沉積。但多數情況是，漿液進入網狀管道或洞穴系統，斷面逐漸擴大，流速不斷降低，從而發生沉積。不過，一般說來，這種灌漿的充填距離比在同等大小片狀空隙里遠得多。

1.1.1.3 蜂窩狀空隙

蜂窩狀空隙是各種土層、砂層、礫卵石層及混合層中的典型空隙。在大裂隙和溶洞里充填的泥沙和礫石中一般都包含此種空隙，如圖1-3所示。此外，在各種巖石中產生的斷層帶和強烈擠壓破碎帶中也有大量的蜂窩狀孔隙。

此種孔隙的尺寸及透水性，取決于組成介質（巖土）顆粒的大小、級配及緊密程度。一般來說，介質的顆粒愈大、級配愈差、愈松散，則其孔隙尺寸和透水性就愈大。在具有此種孔隙的介質體中作“滲透擴散”型灌漿，控制漿液的總孔隙斷面面積在鉆孔孔壁上為2πrLη（r為鉆孔半徑，L為灌漿段長度，η為孔隙率）。假定漿液只作“徑向輻射型”運動，那么，當漿液每向外流出Δr距離后，控制漿液的孔隙斷面面積就要擴大2π ΔrLη數值。很明顯，漿液的前進速度和壓力隨著離開鉆孔的距離逐漸增大而迅速下降，這就決定了每個鉆孔只能充填有限的范圍。

1.1.2 濕磨細水泥灌漿介質體的可灌性理論

巖土介質體的可灌性是指巖土介質能否讓濕磨細水泥漿液滲入其孔隙和裂隙的可能性，它既取決于巖體介質的滲透性，又取決于濕磨細水泥漿液的細度和流變性，還與滲徑結構有關。不同的滲徑結構具有不同的滲透幾何參數（粒狀介質的顆粒有效直徑、孔隙直徑和裂隙介質的節理組數、寬度、密度等）。一般來說，當介質體裂隙寬度大于灌漿材料最大顆粒直徑的3倍以上時，認為該介質體是可灌的。

濕磨細水泥漿液屬于顆粒懸濁型漿液，當漿材顆粒直徑大于土顆粒間孔隙的有效直徑或巖層裂隙寬度時，在灌漿過程中，漿液中的粗顆粒在灌漿管口附近或巖縫口形成濾層，使其他較小的顆粒無法進入介質體，因而在使用濕磨細水泥灌漿時存在其對相應介質體的可灌性問題。一般巖土介質可灌性理論主要研究滲透灌漿的巖土介質滲透幾何參數與漿液粒度的比值滿足的基本條件。

1.1.2.1 灌漿介質體的滲透參數

裂隙巖體的滲流模型可歸結為兩類：一類是雙重介質模型，巖體由孔隙性差而透水性強的裂隙系統和孔隙性好而透水性弱的巖塊系統組成，如圖1-4所示；另一類為非連續裂隙介質模型，如圖1-5所示，裂隙介質的主要幾何參數有節理裂隙的組數、平均厚度或平均體積開裂度δ等。

研究節理裂隙的方法有地質學方法和水力學方法。地質學方法是對露頭的巖體節理裂隙的產狀、間距、頻率和裂隙的寬度、粗糙度、密集度進行量測和統計；在沒有露頭時，采用鉆孔取樣和鉆孔物探調查。在不具備地質調查的條件下，可采用水力學方法。水力學方法是用裂隙巖體的滲透性來計算裂隙的寬度。巖體的滲透性與裂隙組數、裂隙寬度、間距、連通狀況、裂隙內的填充物、裂隙面的粗糙度等因素有關。因此巖體的透水性是一個多種因素的函數，用水力學方法計算裂隙的寬度存在多解性。在地質學方法的基礎上，采用水力學方法，可以取得較好的近似值。

裂隙巖體滲透性的各向異性與裂隙組數有關：組數越少，各向異性越強；組數愈多，愈趨向各向同性。反映裂隙巖體滲透性的指標有滲透系數和單位吸水率等。裂隙巖體滲透系數是表征裂隙巖體透水性大小的一種物理量，用m/s或cm/s表示水在巖層內滲透的快慢，通常要用抽水試驗方法來測定。用抽水試驗方法來測定滲透系數，不僅費時而且費用較高，因而工程上多采用既簡單又方便的壓水試驗來確定裂隙巖體滲透性的“數量型”物理量，即單位吸水率和單位吸水量。

（1）單位吸水率和單位吸水量。我國早期對壓水試驗成果多采用單位吸水率即ω來表示，其定義為每米水頭作用下，單位鉆孔長度內單位時間內的吸水量，表示式為：

式中：ω為單位吸水率，L/（min·m·m）; Q為平均或選擇的灌入流量，L/min; P為用水柱高度計量的壓水水頭，m; L為試驗段長度，m。

（2）呂榮值。壓水試驗的國際標準是呂榮壓水試驗方法和呂榮表示方法。我國現已采用這一國際標準。呂榮壓水試驗方法是法國地質工程師呂榮為評定壩基巖層進行灌漿的必要性而提出來的，即采用10bar（約1MPa）壓力，將水壓入5m長的試驗段內，當求得每米鉆孔壓入流量為1L/min時即為1呂榮（1Lu）。呂榮試驗方法后來又經過多次修訂，目前標準試驗方法是，試驗段的長度取5m，用3個壓力點p1、p2、p3（p1＜p2＜p3, p3為最大壓力；p2、p1分別為p3的2/3和1/3），按p1→p2→p3→p2→p1的順序做5次壓水試驗，每次持續時間不少于10min，按下式計算出5次的呂榮值為：

1）呂榮值與吸水率之間的關系為Lu=100ω。試驗成果表明，當透水率較小時，巖縫內的流態屬于層流，P～Q曲線關系多為直線關系，式（1-2）才成立；當透水率較大時，流態開始呈現紊流，P～Q曲線關系多為曲線型，式（1-2）計算誤差較大。

2）當Lu＜20時，用壓水試驗來估算滲透系數時，可用下式計算：

式中：K為滲透系數；r0為鉆孔半徑。

此外，也可以依據經驗曲線法來估算。K與Lu的有如下近似關系：當Lu＞30時，K=1×10-5m/s；當Lu=5～20, K=5×10-6～5×10-7m/s；當Lu=1～3, K=1×10-7m/s。

（3）單一裂隙介質體的滲透系數可用下式計算：

式中：Kf為單個裂隙的層流滲透系數；δ為裂隙張開度；A為裂隙的連續性程度；μ為液體動力黏性系數；γω為液體的重度。

（4）連續裂隙介質體的滲透系數可按下式計算：

式中：Kf為單個裂隙的層流滲透系數；Km為巖石的滲透系數；b為裂隙間距。

（5）斷續裂隙介質體的滲透系數。沿裂隙方向的滲透系數可按下式計算：

式中：Km為巖石的滲透系數；l為裂隙長度；L為沿裂隙方向上相鄰裂隙中間的間距。

（6）根據巖體的裂隙成因確定巖體裂隙參數。根據巖石類型和裂隙成因也可以推測裂隙巖體的滲透系數和單位厚度裂隙率。裂隙成因與滲透系數及孔隙的關系見表1-1。

1.1.2.2 灌漿介質體可灌性的基本條件

灌漿介質體可灌性的基本條件是其孔隙直徑應大于灌漿材料的顆粒直徑。粒狀介質孔隙直徑與粒狀介質的顆粒直徑存在一定的關系，因此，可灌性又可用介質的顆粒直徑來定義。對于粒狀介質，可灌性用可灌比來表示：

式中：D10為顆粒在粒度分析曲線上占10%的對應直徑；G95為灌漿材料在粒度分析曲線上占95%的對應直徑。

實際上可灌比并不是一項普遍適用的準則，灌漿材料中顆粒級配及細粒含量對灌漿效果的影響更大。因此，對于像濕磨細水泥灌漿材料的細度評價，使用顆粒比表面積為參考條件的準確性較差，而采用顆粒粒度分布為參考條件的準確性更高。