摘要：注浆作为如今治理地下工程突涌水灾害的主要方法，其具有堵水效果好，施工场地要求低，减水效果持久等诸多优点。注浆作为一个系统性工程，其注浆效果受到选用的注浆理论，采用的注浆浆液，被注介质性质以及注浆工艺等众多因素影响。本文对渗透注浆理论、裂隙岩体注浆理论、压密注浆理论、劈裂注浆理论、动水注浆理论及电化学注浆理论进行了详细介绍及分析，对地下工程突涌水灾害治理有一定帮助作用。
关键词：注浆堵水；灾害治理；理论研究
1引言
注浆作为如今治理地下工程突涌水灾害的主要方法，其具有堵水效果好，施工场地要求低，减水效果持久等诸多优点。注浆作为一个系统性工程，其注浆效果受到选用的注浆理论，采用的注浆浆液，被注介质性质以及注浆工艺等众多因素影响。目前，依据浆液对被注介质的破坏程度不同划分为：渗透注浆理论、压密注浆理论、劈裂注浆理论依据流态不同划分为静水注浆与动水注浆理论；依据浆液扩散通道类型划分为多孔介质注浆与裂隙岩体注浆，另外还有以电能作为注浆动力的电化学注浆理论。
21世纪初以来，随着注浆技术的应用领域不断扩大及其注浆技术受到世界各国的广泛重视，注浆基本理论得到了相应的发展。注浆理论涉及到水力学、流体力学、固体力学等理论，主要对浆液在地层中的流动形式进行分析，建立注浆压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系，用以指导注浆工程的设计和施工。由于注浆理论与浆液性质，被注介质与注浆工艺密接相关，而其中任一因素都极其复杂，且浆液在扩散过程中浆液、水及围岩三相介质之间存在强烈的耦合作用，导致注浆理论研究困难，进展缓慢，若不对浆液性质、注浆参数、被注介质做适当简化注浆理论更是难以推进。
2 渗透注浆理论
渗透注浆技术是发展最早最成熟的，无论在理论上，还是在实际应用上，都取得了很大的进展。最初，国内外学者在视浆液为牛顿流体并假定浆液作匀速运动的基础上，首先提出的是浆液球形扩散理论。1938年，Maag假定：浆液在土体中流动时为层流状态并服从达西定律，被注砂土为均质的和各向同性的，浆液为牛顿体，浆液在地层中呈球形状扩散，首次提出了建立在砂土层上的牛顿型浆液球形渗透理论公式[1]。随着注浆材料日新月异的发展，非牛顿体浆液大量出现，而这些浆液的性能在某些方面往往要优于牛顿流体。基于驱替机制的浆液渗透理论认为饱和含水地层中的注浆过程是浆液不断推进并同时排驱地下水而注入地层，是浆、水两相液体的互相驱替过程，并非只是单相液体的流动。渗透注浆无论在理论上，还是在实际应用上，都取得了很大的进展。
3 裂隙岩体注浆理论
研究浆液在岩体裂隙内流动规律十分复杂。目前，只能利用裂隙岩体的一些渗流模型，研究浆液在较为简单的裂隙模型内流动规律。裂隙流体理论基本分为牛顿型浆液扩散理论和宾汉姆流体浆液扩散理论。贝克(1974年)[2]将裂隙简化为平直、光滑、等开度的平行裂隙，并假设注浆压力水头和流量恒定不变推导出了牛顿流体在裂隙内作层流运动时的关系式。郝哲等[3]推导了牛顿浆液、非牛顿浆液在裂隙中的径向流、辅向流扩散公式，以及多孔注浆的相互作用关系由于浆液的内浆力有限制浆液扩散的作用，所以浆液的扩散距离总是有限的，注浆所需的时间则取决于浆液的粘度。因此，自上世纪年代以来，国内外学者推导出了许多宾汉流体在岩体裂隙中流动规律的表达式。
4 压密注浆理论
土体压密注浆起源于美国，二十世纪年代早期用于工程，直到1969年，Graf[4]首次描述了压密注浆的过程并提出了有关压密注浆的一些基本概念。1981年，Bakera等人采用压密注浆对软土地层中因隧道掘进施工所产生的土体沉降变形进行了有效控制。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前对压密注浆的认识还主要是依靠工程经验和现场试验，理论研究水平仍然滞后于实际应用发展的需要。迄今为止，还没有形成成熟的压密注浆理论，也没有一套成熟的方法进行压密注浆优化设计。
5 劈裂注浆理论
劈裂注浆是目前应用比较广泛的一种注浆方法，其理论远远滞后于应用[5]。根据试验，劈裂注浆是一个先压密后劈裂的过程。浆液在土体中的流动可分为三个阶段：鼓泡压密阶段、劈裂流动阶段、被动土压力阶段。
6 动水注浆理论
动水指水体在一定规模的含水地质构造中进行的不符合广义达西定律的流动。矿山、隧道的涌水治理中，多数为高压、高流速、大流量的动水注浆治理。在这种条件下，以前建立在达西定律基础上注浆理论与实际出入较大，所得出的结论无法为注浆的设计和施工提供可靠的理论依据。而动水注浆理论研究有限，还处于十分不成熟的阶段。我国的动水注浆实践始于建国初期煤矿生产中采掘工作面遇到的涌水注浆治理，而相关理论研究则是最近才引起学者的关注。任克昌（1982年）[6]根据水力学和地下水动力学的势流叠加原理分析流网，获得了化学浆液在动水中流动的扩散方程，但研究是针对孔隙介质且方程中没有考虑裂隙开度、注浆压力、注浆量、水流流速等因素对浆液扩散的影响；郑玉辉（2005年）在注浆模型中考虑了注浆过程中浆液推动地下水及其影响半径但没有考虑在注浆前就存在水流流动即裂隙动水注浆时的注浆模型。
7 电化学注浆理论
目前，国内外针对电化学注浆理论相对较少，仅通过工程实践和试验分析等方法对电化学注浆理论进行了初步的研究。1991年，韩庆达等依据海姆荷尔茨提出的双电层原理初步研究了电化学注浆的电化作用过程和结构形成过程。1996年，郭文章等通过对浆液在电场中的流动特性和流动距离的研究，提出了电化学注浆各参数相互关系的理论表达式，它可以用来估算浆液在电场力作用下的流动距离所需的通电的时间、电压梯度以及选择所需要的浆液粘度，该公式可以作为控制电化学注浆技术的重要理论依据。
8 结论
本文对渗透注浆理论、裂隙岩体注浆理论、压密注浆理论、劈裂注浆理论、动水注浆理论及电化学注浆理论进行了详细介绍及分析，对地下工程突涌水灾害治理有一定帮助作用。
参考文献
[1]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):73-79.
[2]Baker,Wallace Hayward. Planning and performing structural chemical grouting[J].Grouting in geotechnical engineering, Proceedings of the conference, ASCE,1982:515-539.
[3]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.
[4]Graf, Edward D. Compaction grouting technique and observations[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE,1969:1151-1158.
[5]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.
[6]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.
论文作者:姜晓波
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/20
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