3.1.2.1　水泥浆液的分层分区扩散现象

试验结果表明，动水灌浆条件下影响浆液扩散的主要参数有6个，分别为裂隙水流速度v0、裂隙宽度δ0、单位时间灌浆量q、浆液黏度μ、浆液重度γ及裂隙倾角α。

（1）水泥浆液分区扩散试验现象。根据浆液的扩散流态，可以分为充填扩散区、过渡扩散区和分层扩散区。

1）充填扩散区。灌浆开始时，灌浆孔周围浆液流速较快，呈紊流状态，浆液在紊流状态中不易沉积，灌浆孔附近区域内形成一个半径较小的非沉积区（图3.1.2-1），随着灌浆进行，浆液扩散范围逐渐增大，充填扩散范围到一定程度不再增大，而且充填扩散范围边界随着恒定灌浆压力和流场条件下，呈现稳定态势，充填扩散区以浆液的扩散为主，浆液没有被水稀释。

图3.1.2-1　灌浆孔周围充填扩散区及非沉积区

2）在充填扩散范围外，浆液有一定区域呈紊流状态的薄层区域，包裹在充填扩散区外围，称之为过渡扩散区，随着浆液扩散距离的增大浆液由紊流向层流状态转化，在过渡扩散区内，随着与灌浆孔距离增大，逐渐出现浆液析水分层现象，上层为浆液与水的混合区，下层为析水后的浆液扩散层。与充填扩散区和分层扩散区相比，过渡扩散区范围较小，但过渡区作用重大，浆液在过渡区实现了快速析水分层，是浆液由充填扩散向层流扩散转变的一个必然状态。

3）最外层为分层扩散区（图3.1.2-2），在分层扩散区，流场较为稳定，浆液和水均呈现层流状态。在试验中，可以看到有明显的稳定的流线，浆液和水分层明显，不相互干扰，水的流场稳定，浆液的扩散也呈现稳定状态。浆液的扩散并没有充填整个裂隙，而是呈现分层状态。

图3.1.2-2　水泥浆液分区扩散示意图

（2）水泥浆液的分层扩散。通过试验，发现了浆液在分层扩散区的扩散方式非常独特，经过试验现象分析研究，认为浆液在扩散过程中与裂隙流场中的水流呈现上下分层的现象，且各层之间的流态稳定，互不干扰，我们称这种扩散方式为分层扩散。

浆液的分层扩散只发生在分层扩散区，在分层扩散模型中，自下而上将浆液划分为沉积层、浆液扩散层及水流层，其中位于底层的沉积层在没有外力扰动下是静止的，中间的浆液扩散层和顶层的水流层层间流线明显，没有发生浆液被水稀释现象，水泥浆液分层扩散示意如图3.1.2-3所示。根据扩散位置不同，浆液又分为逆水扩散和顺水扩散。在逆水扩散模型中，浆液扩散层的速度方向和水流方向相反，水流层对浆液的扩散起阻碍作用。在顺水扩散模型中，浆液扩散方向与水流方向相同，水流对浆液的扩散起运移加速的作用。

3.1.2.2　水泥浆液扩散规律(www.daowen.com)

（1）灌浆速率q对浆液扩散参数L和N的影响。在一定的条件下，浆液扩散开度L和逆水扩散距离N均与灌浆速率q呈线性正比关系，即在其他因素不变的条件下，N和L随灌浆速率q的增大而呈线性增大趋势。

图3.1.2-3　水泥浆液分层扩散示意图

（2）水流速度v0对浆液扩散参数L和N的影响。U形扩散的一个重要控制因素是裂隙中的水流速度v0。在裂隙水流速度不同的条件下，浆液的稳定扩散状态为标准的U形扩散。在灌浆速率q不变的条件下，裂隙水流速度只有在一定范围内才能使浆液的L和N与速度1/v0呈现标准的线性关系。流速太大，则浆液不能呈现有效的扩散状态，水泥浆液也不能在裂隙中沉积留存。

（3）浆水流量比ζ及水泥浆液动水扩散公式。水泥浆液的分层分区扩散机制非常复杂，难以建立准确的数学模型，为了实现对浆液扩散问题的定量研究，结合浆液的U形扩散规律结论，引入一个新的参数ζ（浆水流量比），其表达式为

式中：ζ为浆水流量比，具体意义为单位时间浆液注入量和单位宽度裂隙单位时间的过水量的比值；a为裂隙展布宽度，这里取a=1，单位为m。

浆液扩散开度L和逆水扩散距离N均为浆水流量比ζ的一次线性函数，水泥浆的扩散表达式为

式中，斜率k、K和截距c、d均为浆液密度ρ、浆液黏度μ和裂隙倾角α的函数。鉴于水泥浆液的分层分区扩散的复杂性，难以建立理想的计算模型，以上几个参数还有待于深入试验研究。

浆水流量比ζ是一个衡量浆液扩散能力的参数，通过对灌浆试验结论的研究，得出ζ与L和N之间存在着线性函数关系，同时，试验表明ζ只有在一定的取值范围内浆液才能够形成有效扩散，ζ＜0.15时，浆液无法形成有效扩散，ζ太大，则需要的灌浆压力会增大，影响裂隙围岩的安全稳定性。ζ对浆液扩散的影响表现如下：

1）在ζ的有效扩散取值范围内，浆液的扩散开度L和N随ζ的增大而增大，表现在工程应用上为：在灌浆压力和灌浆设备允许的条件下，尽量增大灌浆速率或减小裂隙水流速度，可以获得更好的浆液扩散效果。

2）在保持浆水流量比ζ稳定的条件下，合理的浆液黏度范围内，浆液黏度越大，浆液扩散参数L和N随浆液黏度μ的增大而增大，表现在工程应用上，即在单位时间内浆液泵入量保持一定的条件下，增大水泥浆的黏度，可有效增大浆液的扩散范围。