图4.10断裂突水型式示意图张性断裂；压性断裂活化；断裂扩展因断裂富水、导水而发生突水事故的情形有三种，如图4.10所示。图4.10表示隧道揭露富水的张性断裂而发生突水事故。对突水围岩本构关系分析看出，突水前，作用在围岩上应力为总应力σij，其值远大于正常掘进时岩体之间接触作用应力，且突水区围岩多为弱化岩体，受软化、蠕变、松弛、弹性后效等作用影响，使围岩流变明显加大。......
2023-11-04
水工程地质缺陷加固技术-单孔灌浆堵水可靠性
【摘要】：灌浆堵水的目的是以灌浆孔为中心形成满足设计和规范标准要求的隔水帷幕。现在的问题是，单孔灌浆堵水是否可靠，导致灌浆堵水失败的直接原因是什么？全面考虑灌浆过程，绘制单孔裂隙灌浆堵水系统故障树如图8.3所示。为直接分析灌浆堵水的可靠性，考虑各基本事件的影响程度，绘出简化后的灌浆堵水成功树如图8.4所示。2）扩散半径可靠性X2。5）灌浆泵可靠性X5。1）初灌的可靠性。2）复灌的可靠性。
灌浆堵水的目的是以灌浆孔为中心形成满足设计和规范标准要求的隔水帷幕。
现在的问题是，单孔灌浆堵水是否可靠，导致灌浆堵水失败的直接原因是什么？通过灌浆，当时突水被堵住了是否就意味着隔水帷幕成功有效？
（1）灌浆工艺流程反映出灌浆实现的过程①。如图8.1所示，灌浆从“原材料”到“结石体”全部工艺流程反映了灌浆实现的全过程（见图8.2）。
（2）灌浆堵水“故障树（The failure tree）”划分。导致灌浆堵水失败的直接原因定为浆液未在岩体中凝胶和浆液凝胶后的失效两种，这实际上反映了灌浆过程中的失效（不能在岩体中完成灌浆）和灌浆结束后的失效（未达灌浆标准）两种情况，体现出灌浆的全过程。全面考虑灌浆过程，绘制单孔裂隙灌浆堵水系统故障树如图8.3所示。
图8.1 灌浆材料凝胶/固结工艺流程框图
图8.2 灌浆施工全过程框图
图8.3 单孔灌浆堵水系统故障树
该故障树对故障事件作了较细的划分，其中导致失效的基本事件包括：地下水的稀释，跑（冒）浆，水泥灰质量问题，搅拌时间不够，搅拌机损坏，各处阀门及管路故障，各灌浆泵故障，输浆管路倾斜不够及弯头过多，浆液配比未达要求，结石体未满足塑性强度，灌浆后涌水量未达要求等。
（3）绘制“成功树（The success tree）”。为直接分析灌浆堵水的可靠性，考虑各基本事件的影响程度，绘出简化后的灌浆堵水成功树如图8.4所示。成功树中逻辑门符号与故障树中所用逻辑门符号成对偶关系（与门变或门，或门变与门）。
图8.4 经简化的灌浆堵水成功树
此树简化中忽略了地下水稀释、跑浆、水泥灰质量、各处阀门及输浆管路、浆液配比等相对次要因素的影响。
（4）基本事件分析。可见，保证灌浆堵水成功（X）的基本事件有：水泥浆可灌入裂隙（X4）；灌浆泵运转正常（X5～X4+m，m为泵数）；扩散后达设计灌浆半径要求（X2）；凝胶体不被挤出（满足塑性强度要求）（X3）；涌水量达设计标准（X4）。其中X1、X3、X5、～、X4+m的目的是保证在岩体中灌浆的顺利实现；X2是保证达到灌浆半径要求，对灌浆堵水而言，是实现多孔灌浆时的灌浆交圈；Xi是保证达到现场开挖时的涌水量要求。
1）水泥浆可灌性Xl。水泥浆可灌性的计算，需根据不同水灰比W/C对应可灌入裂隙开度δ的实测结果进行回归，或参照有关资料，列出极限状态方程。
2）扩散半径可靠性X2。极限状态方程：
式中 R——灌浆半径设计值；
rc——灌浆孔半径；
K0——原岩渗透率；
L——灌浆段长；
pc——灌浆压力；
p0——静水压力；
Q——灌浆流量；
η——浆液动力粘度。
3）塑性强度可靠性X3。极限状态方程：
式中 c——凝胶体粘聚力；
k——侧压力系数；
f——摩擦系数；
s——裂隙周长；
F——裂隙截面积；
l——裂隙长度。
4）涌水量（残余水量）可靠性X4。
①灌浆前后的岩体渗透率（K0，K1）。灌浆后钻孔中仍有残余涌水是由于水泥浆液结石后体积收缩，即结石率的存在造成的。据结石率公式：α=（V0-V1）/V0，若设灌浆后裂隙（孔隙）被均匀充填，则得α=（V0-V1）/V0=1-δ1/δ0=1-m1/m0。(www.chuimin.cn)
据瓦赫拉梅耶夫公式：K=0.043m2.1δ2，可得灌浆前后的岩体渗透率关系：
式中 δ0、δ1——灌浆前、后裂隙开度；
m0、m1——灌浆前、后岩体孔隙率；
V0、V1——灌浆前、后孔隙体积；
Kn-1、Kn——第n次灌浆前、后岩体渗透率；
α——结石率。
②涌水量的极限状态方程。灌浆后的帷幕体渗透性与原岩渗透性相差很多，在计算地下水由灌浆帷幕外向钻孔渗透的涌水情况时，可以将帷幕外看作定水头（p=p0）边界向水头为零（p=0）的灌浆孔渗透，这是一个与灌浆相反的过程。据W=
，将式（8.24）代入，得初灌时的极限状态方程：
式中 η0——水的动力粘度；
W0——灌浆孔涌水量要求。
5）灌浆泵可靠性X5。
式中 Pas——可靠概率，Pas=1-m/M；
Pbs——维修性概率，Pbs=exp（-t/U）；
m——给定有效时间内故障发生次数；
M——给定有效时间内工作总次数；
U——维修周期；
t——维修时间。
（5）单孔灌浆系统的可靠性。
1）初灌的可靠性。由成功树可见各基本事件与顶事件（达到灌浆堵水一切要求）间的逻辑关系：
式中 φ（X）——X状态函数；
∩——逻辑串联符号；
∪——逻辑并联符号。
2）复灌的可靠性。一般来说，经过第一次灌浆后，由于结石率的影响，岩体裂隙不能全部封堵，灌浆难以达到要求。为此在现场施工中往往需要对同一孔进行多次扫孔重复灌浆，以进一步充填由于结石率的影响不能被完全充实的裂隙，才能达到灌浆标准。
定义n=1时，初灌；n=2时，第1次复灌；以此类推。第n次灌浆是指第n次灌浆本身的情况；第n次灌浆后是指经过n次灌浆后的情形，即历次灌浆形成的综合效果。
与初灌时推导过程类似，可得到第n次灌浆与第n-1次灌浆时裂隙开度及渗透率关系：
当某孔进行第n次灌浆时，是建立在第n-1次灌浆效果的基础之上，它的可靠性计算依赖于上次灌浆结果。第n次灌浆可靠性计算过程与第n-1次灌浆相同，但要注意到渗透率及孔隙度的变化。
第n次灌浆后，单孔灌浆系统要想达到可靠性要求，有两种情况：①第n-1次注浆结束后即可达到灌浆结束标准；②第n-1次灌浆顺利完成，但未达到涌水量要求，经进一步复灌后达到灌浆结束标准。由二者逻辑关系可知，复灌在逻辑上可看作是一种理想旁联系统。
设Xni为第n次灌浆时的Xi事件；Xnd为第n次灌浆达到灌浆标准的事件；Xns为第n次灌浆顺序实现、但未达涌水量标准的事件；Xne为第n次灌浆后达到灌浆标准的事件。则这几个事件的逻辑关系为
式中 φ（X（n-1）s）=X（n-1）1∩ X（n-1）2 ∩ X（n-1）3 ∩（X（n-1）5∪…∪ X（n-1）（4+m））∩（1-X（n-1）4）；φ（Xnd）=Xn1 ∩ Xn2 ∩ Xn3 ∩ Xn4∩（X（n-1）5 ∪…∪X（n-1）（4+m））。
又PX0d=PX0e，即初灌达到灌浆标准的概率与初灌后达到灌浆标准的概率相等。
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2023-11-04
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2023-11-04
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2023-11-04
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