土石坝帷幕灌浆技术及数值模拟

土石坝帷幕灌浆技术及数值模拟

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文集编号: 2014120202501

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文档介绍

灌浆就是将浆液压送到裂缝、缝隙、孔洞以及孔隙之中,以此来阻止或减少水的渗漏,加固岩石和土壤的牢固性。岩石灌浆是一种特殊的技术,在许多国家都得到了不同的应用。事实上,在经济和社会发展过程中,水资源起到了很大的作用。水资源跟其它矿产资源不同,它在地球上分部非常广泛。灌浆质量、数量的整体计划和管理是非常重要的,这也关系到了预防地基漏水和提高效率。我们为什么要做这项研究?这是因为处在干旱和半干旱地区的国家,像也门一样,水资源匮乏,这就要求通过建设一些水坝来储水,这需要大量的资金。尽管建设好了一些大坝,但是却经常漏水,其中有很多原因,而低效率的灌浆就是其中之一。灌浆的理论意义和实际价值是根据灌浆理论和灌浆实践而言的,下式可以表达浆液注入能力大小、浆液颗粒大小和缝隙大小之间的关系。本篇论文包含以下内容:对也门小型大坝的灌浆技术方法研究、对中国蒲石河抽水蓄能电站岩石大坝进行的帷幕灌浆技术试验,还有在实验室中对流变行为和水泥膨润土浆液的抗压强度的研究,还有该领域中高压反应和稳定流出、钻孔清晰度限制和注入渗透性之间的关系研究,并且还有计算机仿真模拟,即水流出的高压反应和液状固体的高压反应。本篇论文的目的是要提高灌浆的效率,找到最经济的解决方法。一些国家在岩石大坝灌浆技术中用到了三种基本的灌浆系统。也门用的灌浆系统通常包括一个搅拌机,利用它可以将灌浆材料如水泥和膨润土混合在一起;注入管道,用它来移动浆液;流量表,用它来进行流量控制;压力表,用它来测量流体、钻头的压力。另外还包括压力泵、泵、水和其它一些设备及材料。通常情况下,灌浆管应露出地表0.5m,钻孔之内0.5m。钻孔直径一般是5.1-10.16cm,灌浆管直径在5-10cm之间,长度不超过1.20m,在钻孔之内的部分介于30-50cm,但是打开的孔隙和裂缝要置于管口之下,不能在管口之前,否则会影响灌浆效果。一般而言,根据浆液灌输机制不同,大坝灌浆系统可以分为三种类型,分别是单流体灌浆系统、双流体灌浆系统和三流体灌浆系统。根据浆液灌输机制,蒲石河大坝灌浆系统属于单流体灌浆系统。跟也门灌根据浆液灌输机制,蒲石河大坝灌浆系统属于单流体灌浆系统。与其他的灌浆系统相比,这种灌浆技术以用在松散沙土地层中而著名,并且费用较低。在钻孔里面灌浆方法是自下而上的。现在帷幕灌浆所用的灌浆方法和灌浆系统,采用的是自下而上的灌浆方法。悬浮液制备和悬浮液标准的改变都是在岩石节理的发展基础上根据灌浆方法来设计的。帷幕灌浆的段长介于5-6m之间,如遇特殊情况可以调整到合适的比例和长度,但是不可以超过10m。蒲石河灌浆系统包含了不同的泵、拌浆机、高压管、添加水、灌浆泵、自动记录机、一个悬浆液三脚架、流量表、压力表、钻眼机、混凝土保护层、填充材料、封隔器,以及灌浆切片。如果钻孔的总深度超过30m的话,那么排列顺序不同的钻孔的灌浆压力参考值应该介于3-3.5MPa之间。水灰比应该由灌浆实验决定,或者应该有监督人批准,悬浆液的浓度应该和水灰比相符,一共有5、4、3、2、1、0.8、0.6,或者0.5这八个值。为了防止悬浮液压力超过3MPa或灌注时间达到30min后灌浆压力和注射速度没有明显变化的情况发生,应当用水灰比代替悬浮液。如在特定情况下注射速率超过30L/min,则应当增加悬浮液的浓度。其他国家案例研究的技术手段:以伊朗Shahriard大坝为例,伊朗有三个著名的灌浆系统:单流体灌浆、双流体灌浆和三流体灌浆。单流体灌浆系统包括灌浆材料;双流体系统包括灌浆材料和空气;三流体系统包括灌浆材料、压缩空气和水。在研究膨润土悬浮液的流变行为和抗压强度时对以下方面进行了研究:水、混凝土(0%和5%),测量了浸水7d和28d的膨润土的粘度、流动度、渗出度、温度、抗压强度,这个过程中应用到如下方程式:抗压强度测试:在测试器械中压毁圆柱体混凝土样本通过破坏载荷数值除以样本横截面积得出最终数据。潮湿样本测试:将样本在测试前浸水28天。在粘度测试中,根据API标准,使一夸脱(946毫升)悬浮液流出漏斗,并计算所需时间(以秒表示)。我们可以使用以下公式计算粘度Mpa.s。μ1=ρ(t-25)(3.2)流动性测试:流动性是倾向于让液体能更好的流动,它和混合浆液的配比有很重要的关系。同样,如果流动率保持不变,那么在实验中就可以通过最初的流体灌装高度来计算它,公式如下:在决定流变行为的实验过程中,采用的是不同数量的水,分别有5、4、3、2、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4kg,并分别在0.05kg的膨润土和1kg的水泥悬浆液渗水测验:我们通过下面的公式来计算用以下的公式来计算膨润土比率Blentonite=5%(Water+Cement)在抗压强度的研究中,处理7天和28天的抗压强度的方法是一样的,只是比率分别是1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4。高压和排水量之间的关系是研究岩石灌浆中争论最多的问题,这项研究是通过中国的蒲石河大坝中进行的。蒲石河大坝的储水能力是13510000m3,在这项研究中,被调查的区域包括地面6m以下含有沉积物的土壤,这些土壤中有含有嵌入式闪长岩的混合花岗岩,在向下的多数钻孔中含有混合花岗岩。这种类型的花岗岩属于坚硬的岩石,而且带有中低度的磨蚀度。水压试验:这是通过在水坝的基底上钻孔实现的。钻孔装置设在地上需要钻孔的周围。钻孔的各种工具是进行试验必不可少的东西,封隔器渗透试验、耐压管、钻杆、钻土壤和岩石用的钻头(150mm、110mm、76mm),还有压力表、压力传感器、流量表、压力发电机、三个液压高压泵、TS智能自动数据记录机、双层XTF-2橡胶(能够承受300根柱子的压力,提高200%的比率)、定向工具、相同粘度的水,还有饮用水和其它一些东西。吕荣是测量渗透性的单位,这个可以通过检测水泵抽水获得,有公式如下:使用的是二冲程循环记录,第一个是跨式封隔器压力值是[1125000,2316000,3205000,4120000,5133000,6205000,5253000,4443000,3418000,2515000,1327000],第二个是1437000,2328000,3415000,4441000,5419000,6461000,5345000,4418000,3369000,2350000,1435000]Pa一些典型的钻孔深度在42-47m之间。模拟压力和排水量关系的研究:为了模拟,采用gambit来建立模型,用变量检验方程,用有限元软件系统创建压力和流体体积(VOF)之间的关系。因此本课题包括研究模拟高压反应和流体体积(V0F),不同的参数会影响变形控制的分析,也会影响通过数值模拟进行的最佳测验的渗透性参数在高压下的临界点,压力矢量和流体体积时间步长的数值是(2.0000e-01),每个时间步长的最大展开次数是50,此时承压水在[1125000,3205000,4120000,5133000,和6205000]Pa,液固流量的模拟高压反应也在[1125000,3205000,41200000,5133000,和6205000]Pa。为了估计接口处的可能速率,可以用以下的公式通过网格单元的大小来计算时间步长:迭代之后出现了不同压力的速率,最终曲线也表现出不同的压力。不同的钻孔方法能够改变土壤和岩石的物理的、生物的和化学的性质。钻孔和岩石性质之间有很强的关系,例如渗透性。钻孔技术在一些应用领域发展的非常的迅速,像灌浆钻孔、岩心勘探、水压测试和地基。钻孔最大深度为100m,最大偏差0.05m,根据中国标准《水泥灌浆钻孔偏差规范》(DL/T5148-2001),其偏差在容许范围内。这个项目也会在蒲石河大坝中实施,中国的垂直偏转率是从底部开始的钻孔偏差。钻孔调研对优化钻孔作业和增加钻孔作业的生产力很重要。凿孔设计会导致实际偏差,这可以通过以下公式计算:d=L1Sinθ Tanθ=d/L灌浆钻孔的施工规范已经检查了从套管边缘到所需要的深度。它表明了井的实际深度和仪表允许的偏差。首先要按照法律文件来选择一个灌浆钻孔,建好一条道路,升起起重机。因为水在混合悬浮液钻孔中十分重要,所以可以用抽水的方法把它拖进预定的位置,钻孔现场用的是XY-2PC型号的钻机。针对花岗岩进行的灌浆测试在不同的压力下用到了封隔器,规定单位吕荣是10个大气压下每分钟内每米长度上1升水的吸水量。吕荣值是通过吕荣实验测量的,灌浆的要求像灌浆颗粒的尺寸和灌浆的设计,通过吕荣测试得到数据是有必要的。单位吕荣的数字N表示的是对渗透性的测量,这个测量从压水测试中得到的,公式如下:另外,三个实验中,两个是在实地进行的,一个是在实验室进行的.从灌浆系统总体来看蒲石河大坝是典型的单流体灌浆,它的优势在于可以在松散的沙土地质中应用。跟双流体灌浆和三流体灌浆相比,单流体灌浆稍微便宜些,但是需要高超的技术。也门的灌浆系统取决于灌浆系统的传输装置,和单流体灌浆系统非常相近。。也门灌浆系统的优劣如下:优势:价格相对低廉;可以在困难地区应用;不需要很高的技术。劣势:·井中不允许进入空气,需要开凿新的缝隙和钻孔·在地表安装困难·安装灌浆管所用的嵌入式的混凝土会导致外部的爆裂·灌浆系统效率低下·导致钻孔底部产生大量沉积物·不可能用于大多数的土壤类型·张开的缝隙或者钻孔低于喷口,而不是在它的前面,这样会导致灌浆注入效率低下·不包括一些接管但是,在也门砂质土壤分部广泛,很多的大坝不能高于25m,所以双流灌浆和三流体灌浆适合解决也门的喷射灌浆。结果表示钢板的极限抗压强度受到加载速度和动态轴向压缩载荷的影响,以下是7天和28天的样品的抗压强度测试:7天的B=5%比例(0.4:1,0.5:1,0.6:1,0.8:1和1:1)的是(2675.59,2334.45,594.65,270.40和397.5)kN/m27天的B=0比例(0.4:1,0.5:1,0.6:1,0.8:1和1:1)的是(2917.55,2384.60,973.24,488.29和468.56)kN/m228天的B=5%比例(0.4:1,0.5:1,0.6:1,0.7:1,0.8:1,0.9:1和1:1)的是(3344.50,2918.10,743.31,731.12,339.50,731.12和530.00)kN/m2,但是抗压强度的最少值是0.8:1。28天的B=0比例(0.4:1,0.5:1,0.6:1,0.7:1,0.8:1,和1:1:)的是(3513.70,2981.75,1216.55,425.33,615.20和585.70)kN/m2我们推断除了比例是(0.7:1和0.9:1),28天的B=0的抗压强度要高于28天的B=5%。降低水量会使抗压强度变强,但在样本中水量和抗压强度呈正相关。我们推断除了比率是(0.7:1:0.05和0.9:1:0.05),在水泥中增加5%的膨润土不会影响抗压强度。对测量流动性来讲,结果显示膨润土在流量悬浮方面起到了作用,除了0.9:1:0.05、流动时间和悬浮液的动态粘滞度,降低水泥的含水率灌浆增加了:除了0.9:1:0.05.的膨润土(5%)。比率是0.8:1:0.05的W:C:B的粘度和流动时间低,但是比率是0.6:1:0.05的粘度就高很多,然而比率是0.5:1:0.05和0.4:1:0.05的不流动。低粘度和低流动性的灌浆注入缝隙、钻孔和接头中会受到影响。不过高粘度的灌浆可能会影响悬浮液不能灌入。测试结果也揭示了用B=5%比用B=0%更会影响流动时间和塑料粘度。当W:C:B比率升到1:1:0.05时有高含水量,如下:(5:1:0.05,4:1:0.05,3:1:0.05,2:1:0.05),但是比率低于1:1:0.05的含水量低。所有这些比率在一个小时到三个小时之间的时候渗透率高,但是在两个小时中减少了6%的渗透率。另外比率是2:1:0.05的渗漏经历时间长。用(B=5%和B=0)的比率是0.4:1:0.05和0.5:1:0.05的没有多方面的渗漏。结果表明,不同比率的水、水泥和膨润土在以下方面有较大影响:动态粘滞度、流动性、渗透和温度,从悬浮液和筹划时间方面影响渗水量。减少含水量能够提高悬浮液的稳定性,但是降低了它的流动性,这个反过来又影响了给岩石灌浆的进程。同时也发现,比率低于0.6:1:0.05的W:C:B固体颗粒容易凝聚。研究不同比率的渗漏过程表明,在一个小时到3个小时的时候渗透率高。水的比热不变,但是对OPC来说水泥的比热因温度增加到了超常的程度。然而,随着灌浆技术的发展深井比例不断的增加,由于顶部和底部的温差大,这会影响悬浮液的注入。同时,如果将水泥和膨润土一同和水混合,会马上升高到一个稳态的温度,然后幅度会有一个明显的降低,并且一直持续20分钟。与B=0相比,B=5%时的温度升高较快,并且比率为0.4:1比比率为5:1的温度要高。详见第三章。结果还揭示了高压与水流反应的关系。二者之间的关系是压力降低是渗透率依然高。假如使用高压,那么裂缝会变宽,也会出现新裂缝。当压力达到5133000Pa时,渗透性降低,最大的渗透流量是1.220L/min。如果将压力加到6205000Pa,渗透流量是24.500L/min。当压力增加到20.08L/min的时候,岩石的裂缝会增宽,或者潜在的裂缝会出现,或者两种情况都会发生。我们推断压力轴上的临界压力点是5133000Pa。要是改变到5235000Pa,水流量会减少到19.905L/min,但是如果水压降到1327000Pa时,水流量是4.020L/min.实验中涉及到了裂缝关闭之后对其进行材料填充的问题。随着水压的增加,渗透率以指数形式增长,但是当压力减少的时候渗透率依然保持高位,当变成6461000Pa的时候渗透流量突然增加到了32.45L/min,这是由一些裂缝的变长变宽引起的。流量达到最大的注入率的时候,压力逐渐变小。想要完全填封裂缝,详见第四章。高压和水流量模拟对检查岩石基底非常的重要。水流量的增加有可能产生消极的影响,比如出现新的裂缝或使原有裂缝变的膨胀。不同的参数会影响VOF分析的变形控制,也会影响通过数学模拟对渗透性参数的最佳测试的高压临界点。利用数值模拟。流体体积。多相流模型来解决岩石开裂问题。结果显示,通过实验(第一阶段)和数字模拟结果可以研究高压和VOF之间的关系。模拟和实验的一致之处指出高压临界点是5133000Pa。结果显示压力增加到5205000Pa的情况和5133000Pa的压力相类似。在不同的压力阶段像1125000,3205000,4120000,5133000和6205000Pa,使用液固进行相同的模拟。结果表明在使用固液的案例中位于(11250006205000)Pa之间时没有临界点,这和使用水的案例相反,压力居于5133000Pa和6205000Pa之间时流程时间会大大增加。但是在1125000,3205000Pa和4120000Pa的案例中我们得到了跟前面案例相同的结果。详见第6章。地表之下的信息对于计划是必须的,成功的渗透性项目靠的是一些核心的钻井同数学模拟的结果相结合。根据一项对岩石灌浆的钻孔效率和注入的测量灌浆渗透性的监控钻井偏差的测试,他们之间以及他们和深度之间存在关系。在该项研究中,研究结果数据表明钻孔遮蔽限制和渗透性之间的关系表明,研究灌浆钻孔深度(10,20,30,40,50,56.99,60.30,70,80,90,100.)m,偏差在(0.00,0.00,0.00,0.00,0.010,0.020,0.020,0.025,0.035,0.041,0.047,0.050)m,最深是100m,最大的偏差是0.05m.根据中国水泥灌浆钻孔偏差规范(DL/T5148-2001),这个偏差值在允许范围之内。深度和偏差之间的关系不是很强,同时钻孔漂移也减少了,我们可以解释使用小直径钻孔和高级钻孔设备。深度介于40-41m的时候就开始有了漂移,同时在用钻井液方法钻井时候很多水开始渗漏,深度介于40-41m。这是第一个指示器,表明钻井和渗透性之间有关系。使用钻孔摄像头对于断裂深度21-22m的破裂位置进行探测,得到的岩性描述显示本次研究区域的为1.37到9.66cm,厚度为8.29cm。破裂深度为40-41m的区域,裂缝长度为1.915cm,厚度0.07m,21-22m的裂缝长度和厚度都大于40-41m处。岩石的渗透率(以吕荣表示)与深度之间有一定的关系,一般情况下,LU值随深度的增加而减少,在本次研究的区域中,深度40-41m处渗透率为1.5Lu,在21m深处渗透性值则达到最大(2Lu)。但是注射渗透率依旧很低。从50m深处开始,渗透率随深度增加而减少。在深度40-41m注射渗透率曲线发生了改变。在钻探过程中,深度21-22m处和深度40-41m有大量水流失,这说明在这些区域钻孔和渗透率之间也有一定的关系,通过这种关系,在钻探过程中,我们可以通过失水的程度判断破裂的位置。钻孔和渗透率之间有一定的关系,也有能够进行有效钻探的工艺、技术和设备,这些都对本次的研究效率有着影响。而且,在钻探过程中我们可以预判破裂位置,花岗岩的注射渗透率低,并且随深度增加而减少。结论:1.水、粘合剂、膨润土不同的混合比例会对泥浆的动力粘度、流动性、温度和渗透率产生影响。但是如果添加5%的膨润土添加到水泥中,不会使抗压强度增长,而当水、水泥和膨润土的比例为0.7:1:0.05和0.9:1:0.05时,会对抗压强度产生影响。2.压力和流量存在一定关系。通过对水的的实验和数值模拟表面,存在临界压力点为5133000Pa;通过对固体-液体两相的数值模拟表明,在1125000and6205000Pa之间没有这样的临界点。3.在钻井液和渗透率之间存在一定关系,在钻进过程中,我们能通过它们之间的关系预测出断裂和灌浆的位置。4.砂质土壤在也门分布很广,因此单相和两相流系统的灌浆设计是十分适合也门的。

文档标签: 流体力学
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