土體注漿堵水的可靠性設(shè)計(jì)

1、【摘 要】 建立了一套完整的土體注漿堵水可靠性設(shè)計(jì)系統(tǒng)繪制了注漿堵水故障樹(shù)及成功樹(shù);建立了各基本事件的極限狀態(tài)方程;提出了關(guān)于單孔及多孔注漿系統(tǒng)的各種邏輯關(guān)系計(jì)算模型及其可靠度計(jì)算方法;定義了注漿系統(tǒng)的工作狀態(tài)及不同注漿工程的安全等級(jí);給出了各種注漿工程的可靠性指標(biāo);給出了注漿工程的可靠性設(shè)計(jì)方法及步驟可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)注漿工程的設(shè)計(jì)和施工,具有較大的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景【關(guān)鍵詞】 土體; 注漿堵水; 可靠性設(shè)計(jì)一單孔注漿堵水可靠性1.注漿堵水故障樹(shù)分析(1) 注漿工藝流程注漿工藝流程是指從漿液配制開(kāi)始到漿液進(jìn)380巖土力學(xué)2003年入受注土體為止的全部施工工藝過(guò)程根據(jù)注漿的工藝流程2,可反映

2、出注漿實(shí)現(xiàn)的過(guò)程(2) 注漿堵水故障樹(shù)全面考慮注漿過(guò)程,繪制單孔裂隙注漿堵水系統(tǒng)故障樹(shù)如圖1 所示導(dǎo)致注漿堵水失敗的直接原因?yàn)闈{液未在土體中凝膠和漿液凝膠后的失效兩種情況,這實(shí)際上反映了注漿過(guò)程中的失效(不能在土體中完成注漿)和注漿結(jié)束后的失效(未達(dá)注漿標(biāo)準(zhǔn)),體現(xiàn)出注漿的全過(guò)程該故障樹(shù)對(duì)故障事件作了較細(xì)的劃分其中,導(dǎo)致失效的基本事件包括:地下水的稀釋;跑(冒)漿;水泥灰質(zhì)量問(wèn)題;攪拌時(shí)間不夠;攪拌機(jī)損壞;各處閥門(mén)及管路故障;各注漿泵故障;輸漿管路傾斜不夠及彎頭過(guò)多;漿液配比未達(dá)要求;注漿后殘余水量未達(dá)要求等在實(shí)際工程中很難求出所有基本事件的概率分布情況,為此,底事件可視注漿工程具體情況決定取

3、舍,故障樹(shù)可適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化2.繪制成功樹(shù)為了直觀地分析注漿堵水的可靠性,考慮各基本事件的影響程度,在此繪出簡(jiǎn)化后的注漿堵水成功樹(shù)(如圖2 所示)成功樹(shù)中邏輯門(mén)符號(hào)與故障樹(shù)中所用邏輯門(mén)符號(hào)成對(duì)偶關(guān)系(與門(mén)變或門(mén),或門(mén)變與門(mén))此樹(shù)簡(jiǎn)化中忽略了地下水稀釋跑漿水泥灰質(zhì)量各處閥門(mén)及輸漿管路漿液配比等相對(duì)次要因素的影響3.基本事件分析保證注漿堵水成功(X)的基本事件有:水泥漿可注入孔隙(X1);注漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常(X4-X3+m,m 為泵數(shù));擴(kuò)散后達(dá)設(shè)計(jì)注漿半徑要求(X2);殘余水量達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(X3)其中,X1,X3,X4-X3+m 的目的是保證在土體中注漿的順利實(shí)現(xiàn);X2 是保證達(dá)到注漿半徑要求,對(duì)注漿堵水而

4、言,是實(shí)現(xiàn)多孔注漿時(shí)的注漿交圈;X3 是保證達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖時(shí)的殘余水量要求圖中符號(hào)說(shuō)明: 頂事件及中間事件; 底事件(基本事件); 與門(mén); 或門(mén)(1)水泥漿可注性X1關(guān)于水泥漿可注性的計(jì)算,建議:對(duì)不同水灰比(W/C)漿液與可注入孔隙大小d 的關(guān)系進(jìn)行實(shí)測(cè)回歸分析,列出極限狀態(tài)方程(2)擴(kuò)散半徑可靠性X2球形擴(kuò)散極限狀態(tài)方程(馬格公式):式中 R 為注漿半徑設(shè)計(jì)值;k 為被注砂土滲透系數(shù);t 為注漿時(shí)間;r0 為注漿管半徑;h1 為注漿壓力;h0 為靜水壓力;n 為砂土孔隙率(3)涌水量(殘余水量)可靠性X4(a) 注漿前后的土體滲透率根據(jù)公式4:可得注漿前后的土體滲透率關(guān)系:式中 m0,m1

5、為注漿前后土體孔隙率;K0 為原巖滲透率;K1 為注漿后土體滲透率;dm 為土顆粒當(dāng)量直徑;為形狀系數(shù),其值參照文獻(xiàn)4選取(b) 殘余水量的極限狀態(tài)方程注漿后的帷幕體滲透性與原巖滲透性相差很多,在計(jì)算地下水由注漿帷幕外向鉆孔滲透的涌水情況時(shí),可以將帷幕外看作定水頭(P=P0)邊界向水頭為零(P=0)的注漿孔滲透,這是一個(gè)與注漿相反的過(guò)程根據(jù)將式(3)代入,得到殘余水量的極限狀態(tài)方程:式中 m0 為水的動(dòng)力粘度;W0 為注漿孔涌水量要求各公式中涉及到的參數(shù)很多,嚴(yán)格來(lái)說(shuō),它們都應(yīng)該是隨機(jī)變量,但要想得到全部參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,是相當(dāng)困難的因此,建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿具體情況,在計(jì)算中只考慮一些主要參數(shù)

6、隨機(jī)性的影響,對(duì)其他參數(shù)則按常量考慮并設(shè)各隨機(jī)變量均服從正態(tài)分布由基本事件的極限狀態(tài)方程就可計(jì)算出相應(yīng)的可靠度指標(biāo)及可靠概率(4)注漿泵可靠性式中 Pas為可靠概率:Pas =M1- m , Pbs 為維修性概率:Pbs = Ute-,m 為給定有效時(shí)間內(nèi)故障發(fā)生次數(shù);M 為給定有效時(shí)間內(nèi)工作總次數(shù);U 為維修周期;t 為維修時(shí)間4.單孔注漿系統(tǒng)的可靠性由成功樹(shù)可見(jiàn)各基本事件與頂事件(達(dá)到注漿堵水一切要求)間的邏輯關(guān)系:f(X ) = X1IX2IX3I(X4U×UX3+m )(6)式中 f(X )為X狀態(tài)函數(shù);I為邏輯串聯(lián)符號(hào);U為邏輯并聯(lián)符號(hào)二多孔注漿系統(tǒng)可靠性在大型現(xiàn)場(chǎng)注漿中,

7、需通過(guò)多孔施注,從而形成大面積的注漿隔水帷幕因此,需在單孔注漿可靠性計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上,分析各孔所組成的多孔注漿帷幕的可靠性382 巖土 力 學(xué) 2003年以按矩形頂點(diǎn)布置的 4 個(gè)注漿孔為例(圖3)體現(xiàn)4 個(gè)相鄰注漿孔實(shí)現(xiàn)交圈半徑最低要求為式中 R 為注漿半徑設(shè)計(jì)值;a,b 為矩形的長(zhǎng)和寬可據(jù)此進(jìn)行注漿半徑選取和布孔設(shè)計(jì)對(duì)其他不同布孔方案(如沿圓周布孔等)需不同考慮圖3 相鄰孔交圈示意圖Fig.3 Schematic map of over lop of adjacent holes注漿的目的是在整個(gè)注漿范圍內(nèi)形成帷幕,因此,必須實(shí)現(xiàn)各相鄰孔的注漿半徑交圈,這是一種保證各孔均在帷幕中發(fā)揮作用的方

8、式,其中任何一孔注漿失效都將導(dǎo)致整個(gè)帷幕堵水系統(tǒng)的失效,因此各孔注漿之間的邏輯關(guān)系應(yīng)為串聯(lián),其可靠性概率計(jì)算這是進(jìn)行多孔帷幕注漿工程可靠性分析的基礎(chǔ)三注漿工程可靠性設(shè)計(jì)方法1.可靠性指標(biāo)的建立為使注漿工程的可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)入工程實(shí)用階段,必須建立統(tǒng)一的可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)規(guī)范建議將注漿隔水帷幕分成以下基本工作狀態(tài):(1) 理想工作狀態(tài):注漿帷幕系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中滿足給定的設(shè)計(jì)條件,確保安全生產(chǎn),基本達(dá)到不滲水,堵水率或滲水指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求水平(2) 可工作狀態(tài):注漿帷幕系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中效果明顯,堵水率或滲水指標(biāo)基本上達(dá)到設(shè)計(jì)水平,雖有少量滲水,但不影響正常生產(chǎn)(3) 故障狀態(tài):注漿帷幕系統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到基本

9、設(shè)計(jì)要求,涌水量減小很少,作業(yè)條件沒(méi)有得到根本改善,影響正常生產(chǎn)由于無(wú)相應(yīng)的巖土工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可借鑒,在此參照建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),將注漿堵水工程的安全等級(jí)分為以下三級(jí)見(jiàn)表1表1 注漿堵水工程安全等級(jí)安全等級(jí)為 破壞后果 工 程 類 型一級(jí)非常嚴(yán)重非常重要的工程,如大型防洪壩堤核電站海底隧道等二級(jí) 嚴(yán)重重要工程:如一般大型土木建筑工程,大型注漿帷幕D85 %三級(jí) 不嚴(yán)重次要工程:如中小型土木建筑工程,中小型注漿帷幕D55 %注:D為堵水率類比其他工程可靠性指標(biāo)的確定方式,結(jié)合注漿堵水工程的特點(diǎn),根據(jù)工程類型的安全等級(jí)和工作狀態(tài),制定了注漿堵水工程系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)表 2 注漿堵水工程可靠性指標(biāo)安全

10、等級(jí)基本工作狀態(tài)一級(jí) 二級(jí) 三級(jí)理想工作狀態(tài) 2.35 1.20 0.50可工作狀態(tài) 1.20 0.50 0.44故障狀態(tài) <1.20 <0.50 <0.442.可靠性設(shè)計(jì)步驟現(xiàn)場(chǎng)注漿工程可靠性設(shè)計(jì)過(guò)程為:(1) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土體裂隙發(fā)育情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析(2) 進(jìn)行注漿材料注漿半徑注漿方式注漿壓力注漿量等參數(shù)的初步設(shè)計(jì),并做好前期注漿記錄(3) 應(yīng)用式(1)(5)及有關(guān)隨機(jī)理論5進(jìn)行各基本事件的可靠性計(jì)算(4) 應(yīng)用式(6)進(jìn)行單孔注漿的可靠性計(jì)算(5) 設(shè)計(jì)多孔布置方案,用式(8)進(jìn)行多孔注漿可靠性計(jì)算(6) 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿工程的安全等級(jí),將計(jì)算結(jié)果與可靠性指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求(表2)

11、相對(duì)比,至少應(yīng)使注漿帷幕達(dá)到可工作狀態(tài),最好是處于理想工作狀態(tài),若不滿足,需修正設(shè)計(jì)方案,直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為結(jié) 論本文建立了土體注漿堵水的可靠性設(shè)計(jì)體系,主要內(nèi)容有:(1) 針對(duì)土體中漿液的注入及其凝膠的全過(guò)程,繪制了注漿堵水故障樹(shù),比較完整地分析了影響土體注漿堵水可靠性的眾多事件(2) 繪制了經(jīng)簡(jiǎn)化后的注漿堵水成功樹(shù)(3) 用土體注漿理論,建立了各基本事件的極限狀態(tài)方程(4) 在明確各基本事件的邏輯關(guān)系基礎(chǔ)上,建立了單孔注漿可靠性計(jì)算方法(5) 給出了多孔注漿邏輯關(guān)系(6) 建立了帷幕注漿堵水的安全等級(jí)基本工作狀態(tài)及其相應(yīng)可靠性指標(biāo),作為評(píng)價(jià)注漿帷幕體工作情況的依據(jù)(7) 給出了土體注漿工程的可靠性設(shè)計(jì)過(guò)程土體注漿是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況多變,隨著現(xiàn)場(chǎng)注漿施工的進(jìn)行,應(yīng)根據(jù)具體情況不斷修正設(shè)計(jì)方案本文建立的可靠性設(shè)計(jì)體系是一個(gè)有益的嘗試,其分析思路和方法為進(jìn)一步深入的注漿設(shè)計(jì)提供了一個(gè)清楚的脈絡(luò),可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)注漿工程的設(shè)計(jì)和施工參 考 文 獻(xiàn)1 郝哲, 王英剛, 劉斌. 巖體注漿堵水的可靠性設(shè)計(jì)J. 巖土工程學(xué)報(bào), 2002, 24(5).2 杜嘉鴻, 張崇瑞