1.1 湿磨细水泥灌浆介质体的类型及可灌性理论

1.1.1 湿磨细水泥灌浆介质体类型和特征

湿磨细水泥灌浆的主要对象通常是岩体和混凝土中的空（裂）隙。将介质体中的空隙进行分类，并研究其灌浆的特点，对于弄清问题是很有帮助的。介质体中的空隙通常可划分为以下三类。

1.1.1.1 片状空隙

片状空隙是指一种夹在两块岩石之间、分布面较广的薄片状空隙，如图1-1所示。此类空隙在各类岩石中都可能存在，它是地壳中岩体在地壳构造运动中，受到挤压、剪切、扭曲等应力的作用，或应力解除后由于岩石断裂、层面或节理的脱开而成的。此外，混凝土坝体间的伸缩缝、陡坡段的接触缝以及钢板与混凝土之间的施工缝等，也都可归为片状空隙。在岩层中的此种裂隙，往往是纵横交错、互相连接且经常与地面空间沟通的，因此它们大多都能成为浆液活动和水库渗漏的主要通道。

在具有片状空隙的介质体中钻孔，孔眼对它的切割，只能是一个很小的环形断面，其断面积等于2πrδ（r为钻孔半径，δ为裂隙宽度）。湿磨细水泥浆液通过孔眼进入裂隙以后，必定会沿着裂隙所展布的空间，按“径向辐射形”向外流动。由于浆液每向外流动Δ r距离，控制液流的环形断面就要扩大2π Δ rδ的面积，因此，浆液的前进速度和压力将按照反比例迅速地减小。这就决定了灌浆只能填塞靠近孔眼的一段有限局部范围，而不能填塞整个裂隙系统。

1.1.1.2 网状管道与洞穴空隙

网状管道与洞穴空隙主要发生在可溶性岩类中（石灰岩中最多、白云岩中较少）。它埋藏于地下的一些“暗管”、“沟槽”和容积有时很大的“洞穴”。在溶蚀程度较严重的石灰岩中，它们经常彼此沟通成一个复杂的网络系统，如图1-2所示，成为水库的主要漏水通道。在一些熔岩中也会有此种空隙，那是由于熔岩岩浆在冒出地壳时内部气体和液体溶出后而遗留下来的空隙。此外，在具有片状裂隙的各类岩石中，如果这种裂隙的大部分已被次生物质所充填，则大多也还会遗留下一些可供浆液活动的管道状空隙。钻孔对此种空隙的切割，经常表现出偶然性。只有当孔眼遇到这种空隙系统时，才能表现出强烈的透水和吃浆。

浆液自某一切口进入这种管道型的空隙以后，在前进的道路上，如果没有遇到与此相连的其他较大洞穴或“管道”，则控制浆液的断面不会扩展得很大，流速也不会显著减小。这样，就像在输浆管内流动一样，浆液将流窜得很远而不得沉积。但多数情况是，浆液进入网状管道或洞穴系统，断面逐渐扩大，流速不断降低，从而发生沉积。不过，一般说来，这种灌浆的充填距离比在同等大小片状空隙里远得多。

1.1.1.3 蜂窝状空隙

蜂窝状空隙是各种土层、砂层、砾卵石层及混合层中的典型空隙。在大裂隙和溶洞里充填的泥沙和砾石中一般都包含此种空隙，如图1-3所示。此外，在各种岩石中产生的断层带和强烈挤压破碎带中也有大量的蜂窝状孔隙。

此种孔隙的尺寸及透水性，取决于组成介质（岩土）颗粒的大小、级配及紧密程度。一般来说，介质的颗粒愈大、级配愈差、愈松散，则其孔隙尺寸和透水性就愈大。在具有此种孔隙的介质体中作“渗透扩散”型灌浆，控制浆液的总孔隙断面面积在钻孔孔壁上为2πrLη（r为钻孔半径，L为灌浆段长度，η为孔隙率）。假定浆液只作“径向辐射型”运动，那么，当浆液每向外流出Δr距离后，控制浆液的孔隙断面面积就要扩大2π ΔrLη数值。很明显，浆液的前进速度和压力随着离开钻孔的距离逐渐增大而迅速下降，这就决定了每个钻孔只能充填有限的范围。

1.1.2 湿磨细水泥灌浆介质体的可灌性理论

岩土介质体的可灌性是指岩土介质能否让湿磨细水泥浆液渗入其孔隙和裂隙的可能性，它既取决于岩体介质的渗透性，又取决于湿磨细水泥浆液的细度和流变性，还与渗径结构有关。不同的渗径结构具有不同的渗透几何参数（粒状介质的颗粒有效直径、孔隙直径和裂隙介质的节理组数、宽度、密度等）。一般来说，当介质体裂隙宽度大于灌浆材料最大颗粒直径的3倍以上时，认为该介质体是可灌的。

湿磨细水泥浆液属于颗粒悬浊型浆液，当浆材颗粒直径大于土颗粒间孔隙的有效直径或岩层裂隙宽度时，在灌浆过程中，浆液中的粗颗粒在灌浆管口附近或岩缝口形成滤层，使其他较小的颗粒无法进入介质体，因而在使用湿磨细水泥灌浆时存在其对相应介质体的可灌性问题。一般岩土介质可灌性理论主要研究渗透灌浆的岩土介质渗透几何参数与浆液粒度的比值满足的基本条件。

1.1.2.1 灌浆介质体的渗透参数

裂隙岩体的渗流模型可归结为两类：一类是双重介质模型，岩体由孔隙性差而透水性强的裂隙系统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，如图1-4所示；另一类为非连续裂隙介质模型，如图1-5所示，裂隙介质的主要几何参数有节理裂隙的组数、平均厚度或平均体积开裂度δ等。

研究节理裂隙的方法有地质学方法和水力学方法。地质学方法是对露头的岩体节理裂隙的产状、间距、频率和裂隙的宽度、粗糙度、密集度进行量测和统计；在没有露头时，采用钻孔取样和钻孔物探调查。在不具备地质调查的条件下，可采用水力学方法。水力学方法是用裂隙岩体的渗透性来计算裂隙的宽度。岩体的渗透性与裂隙组数、裂隙宽度、间距、连通状况、裂隙内的填充物、裂隙面的粗糙度等因素有关。因此岩体的透水性是一个多种因素的函数，用水力学方法计算裂隙的宽度存在多解性。在地质学方法的基础上，采用水力学方法，可以取得较好的近似值。

裂隙岩体渗透性的各向异性与裂隙组数有关：组数越少，各向异性越强；组数愈多，愈趋向各向同性。反映裂隙岩体渗透性的指标有渗透系数和单位吸水率等。裂隙岩体渗透系数是表征裂隙岩体透水性大小的一种物理量，用m/s或cm/s表示水在岩层内渗透的快慢，通常要用抽水试验方法来测定。用抽水试验方法来测定渗透系数，不仅费时而且费用较高，因而工程上多采用既简单又方便的压水试验来确定裂隙岩体渗透性的“数量型”物理量，即单位吸水率和单位吸水量。

（1）单位吸水率和单位吸水量。我国早期对压水试验成果多采用单位吸水率即ω来表示，其定义为每米水头作用下，单位钻孔长度内单位时间内的吸水量，表示式为：

式中：ω为单位吸水率，L/（min·m·m）; Q为平均或选择的灌入流量，L/min; P为用水柱高度计量的压水水头，m; L为试验段长度，m。

（2）吕荣值。压水试验的国际标准是吕荣压水试验方法和吕荣表示方法。我国现已采用这一国际标准。吕荣压水试验方法是法国地质工程师吕荣为评定坝基岩层进行灌浆的必要性而提出来的，即采用10bar（约1MPa）压力，将水压入5m长的试验段内，当求得每米钻孔压入流量为1L/min时即为1吕荣（1Lu）。吕荣试验方法后来又经过多次修订，目前标准试验方法是，试验段的长度取5m，用3个压力点p1、p2、p3（p1＜p2＜p3, p3为最大压力；p2、p1分别为p3的2/3和1/3），按p1→p2→p3→p2→p1的顺序做5次压水试验，每次持续时间不少于10min，按下式计算出5次的吕荣值为：

1）吕荣值与吸水率之间的关系为Lu=100ω。试验成果表明，当透水率较小时，岩缝内的流态属于层流，P～Q曲线关系多为直线关系，式（1-2）才成立；当透水率较大时，流态开始呈现紊流，P～Q曲线关系多为曲线型，式（1-2）计算误差较大。

2）当Lu＜20时，用压水试验来估算渗透系数时，可用下式计算：

式中：K为渗透系数；r0为钻孔半径。

此外，也可以依据经验曲线法来估算。K与Lu的有如下近似关系：当Lu＞30时，K=1×10-5m/s；当Lu=5～20, K=5×10-6～5×10-7m/s；当Lu=1～3, K=1×10-7m/s。

（3）单一裂隙介质体的渗透系数可用下式计算：

式中：Kf为单个裂隙的层流渗透系数；δ为裂隙张开度；A为裂隙的连续性程度；μ为液体动力黏性系数；γω为液体的重度。

（4）连续裂隙介质体的渗透系数可按下式计算：

式中：Kf为单个裂隙的层流渗透系数；Km为岩石的渗透系数；b为裂隙间距。

（5）断续裂隙介质体的渗透系数。沿裂隙方向的渗透系数可按下式计算：

式中：Km为岩石的渗透系数；l为裂隙长度；L为沿裂隙方向上相邻裂隙中间的间距。

（6）根据岩体的裂隙成因确定岩体裂隙参数。根据岩石类型和裂隙成因也可以推测裂隙岩体的渗透系数和单位厚度裂隙率。裂隙成因与渗透系数及孔隙的关系见表1-1。

1.1.2.2 灌浆介质体可灌性的基本条件

灌浆介质体可灌性的基本条件是其孔隙直径应大于灌浆材料的颗粒直径。粒状介质孔隙直径与粒状介质的颗粒直径存在一定的关系，因此，可灌性又可用介质的颗粒直径来定义。对于粒状介质，可灌性用可灌比来表示：

式中：D10为颗粒在粒度分析曲线上占10%的对应直径；G95为灌浆材料在粒度分析曲线上占95%的对应直径。

实际上可灌比并不是一项普遍适用的准则，灌浆材料中颗粒级配及细粒含量对灌浆效果的影响更大。因此，对于像湿磨细水泥灌浆材料的细度评价，使用颗粒比表面积为参考条件的准确性较差，而采用颗粒粒度分布为参考条件的准确性更高。