岩溶涌水灌浆封堵的最终目的是对岩溶涌水通道实现有效封堵和加固，在扩散理论基础上，结合浆液的沉积特性和时变性，研究浆液在裂隙动水中的沉积留存过程，并研究不同参数浆液的留存封堵机理，找出浆液参数和灌浆参数对裂隙封堵的影响规律。

李术才、薛翊国等通过对试验中水泥浆液的扩散沉积过程的观察和对试验规律的总结，分析了水泥浆液在动水扩散中的快速析水分层和沉积留存的封堵机理，提出了留核的概念，通过对试验数据的科学统筹，结合理论计算模型，提出了留核的半经验扩散方程。

3.1.3.1　沉积留核

（1）水泥浆液的沉积留存。水泥浆液扩散过程中要经历紊流状态到层流状态的过渡，并且在过渡过程中，实现了浆液的快速析水分层。水泥浆液具有析水沉淀特性，不管是在紊流状态还是在层流状态，浆液颗粒都在不断发生沉积现象，特别是浆液析水分层后，在层流状态浆液沉积速度更快，在浆液扩散速度小于析水速度vc时，浆液就会不断沉积（图3.1.3-1），最终形成充满裂隙空间的有效封堵区域——留核。

图3.1.3-1　分层扩散区浆液扩散速度分布及沉积示意图

泥颗粒的下沉速度（也称析水速度）vc，在不同流动状态下按以下公式计算：

对于完全静止和层流（雷诺指数Re=1），采用斯托克斯公式：

对于过渡流态（Re=2～300），采用阿连公式：

对于紊流（Re＞1000），采用牛顿-雷廷格公式：

以上三式中：vc为水泥颗粒下沉速度，cm/s；g为重力加速度，980cm/s2；ρR为水泥颗粒的密度，g/cm3；dR为水泥颗粒的直径，mm；ρ0为水泥颗粒在水中的密度，g/cm3；μ为水泥的黏性系数。

（2）沉积留核。水泥浆液的沉积随着浆液的扩散同时进行着，水泥颗粒沉积后，裂隙动水能析出其中多余的自由水，却很难再对沉积后的水泥颗粒造成影响，除非有扰动或者水流速度变大。由试验结论可以知道，最终能够完全充满整个裂隙，实现有效封堵沉积的区域远远小于浆液的扩散范围，这个能沉积充填裂隙，并且能够抵御裂隙动水冲击的区域，称之为沉积留核，简称“留核”。

（3）留核的稳定扩散状态。留核的稳定扩散形态呈现较为完整的U形扩散，为了与浆液扩散边界相区分，这里用符号L0和N0分别表示留核的扩散开度和逆水扩散距离。留核的面积绝大部分分布在灌浆孔的下游位置，即顺水流扩散方向。并且有如下规律：L0＜L，N0＜N。

3.1.3.2　水泥浆液的动水灌浆沉积试验研究

（1）留核扩散规律。水泥浆液的灌浆堵水效果，关键取决于浆液沉积留核的扩散范围，在沉积留核区域，析水沉积后的水泥浆液不仅实现了对裂隙的饱满充填，更形成了一个阻碍裂隙水流运动的一个障碍区，迫使裂隙流场发生改变，形成一个以留核为核心的绕流区，并且在浆液留核的沉积扩散过程中，留核的变化呈现以下特点：

1）开始扩散形态为椭圆或彗星状。

2）随着灌浆进行，留核有效沉积范围逐渐增大，并且在动水运移作用下逐渐沿水流方向伸展。

3）在稳定灌浆量和裂隙流场条件下，留核灌浆趋于稳定，并呈现标准的U形扩散。

图3.1.3-2为留核稳定扩散状态素描图；图3.1.3-3为留核扩展过程素描图。

（2）留核扩散开度与浆水比的关系。通过系统试验研究，可以得到如下结论：(www.daowen.com)

1）浆液沉积留核扩散系数L0和N0与浆水比ζ呈标准的线性函数关系，并且L0和N0随ζ的增大而增大。

2）同一裂隙流场条件下，浆液的水灰比越小（密度黏度越高），浆液形成有效沉积留核所对应的ζ值越小，如密度为1.15时，浆液形成留核所对应的ζ最小值为0.46，而密度为1.54时，ζ对应值为0.3，水灰比为0.6时，ζ对应值为0.18。

3）通过多次灌浆模型试验结论，可以得到能够使水泥浆液形成有效沉积扩散的浆水比ζ经验取值范围为ζ∈[0.15，1.5]。在现场应用中，ζ的计算值小于0.15时，水泥浆液不能形成有效沉积扩散，需要通过调解相应的条件，使ζ值满足浆液有效扩散合理范围，以期达到和改善灌浆效果。调解ζ所采取的方法有两个：一是增大灌浆速率；二是减小裂隙水流速。

图3.1.3-2　留核稳定扩散状态素描图（单位：cm）

3.1.3.3　水泥浆液的裂隙动水灌浆封堵规律

水泥浆液的裂隙动水灌浆封堵规律有：

（1）水泥浆液的动水灌浆封堵效果主要取决于浆液沉积留核的扩散，留核的扩散范围即为浆液有效封堵区域。

（2）浆水比ζ可以很好地反应浆液的扩散状态，通过人为调节浆水比，控制浆液的扩散，可以达到最佳的扩散封堵效果。

（3）在浆水比ζ相同的条件下，水灰比大（黏度大）的浆液留核扩散范围更大，能够获得更好的封堵效果。

（4）随着浆液的黏度μ和浆水比ζ的增大，浆液的扩散开度L和留核扩散开度L0之差呈减小趋势，在一定条件下，可以实现水泥浆液留核扩散的最大化，即L0接近于L，取得最佳的扩散封堵效果。

3.1.3.4　水泥浆液的现场灌浆应用

参考水泥浆液的扩散规律和沉积封堵机理，以浆水比ζ为主要评价指标，结合关键孔灌浆技术和信息化施工体系，提出水泥浆液的裂隙涌水灌浆封堵方法。

（1）地质分析与含水区域探测。通过水文地质分析确定涌水来源及补给环境，选用合适的方法开展含水区和过水通道的探测，根据探测结果，进行初步钻孔设计。

（2）布孔原则。单一灌浆孔的有效封堵区域有限，面对发育规模较大的裂隙，应该采用多钻孔组合灌浆封堵的方法实现堵水。

图3.1.3-3　留核扩展过程素描图（单位：cm）

根据浆液扩散和留核扩散分布特征，钻孔的设计可以遵循横密轴稀的原则，即钻孔在流场流速方向浆液的有效扩散距离长，钻孔的设计间距可以较大，在于垂直轴向的方向钻孔设计间距要尽量密集，间距最好小于留核的扩散开度L0。

（3）导水裂隙信息。灌浆前，根据地质、探测和钻孔资料，建立等效裂隙，进行连通试验，测定裂隙流场中的平均水流速度v0，水压p0，并通过钻孔电视或其他手段测定裂隙宽度δ0。

（4）浆水比ζ计算及调节。根据现场泵量条件，计算浆水比ζ值，调解裂隙水流速度或泵量，使ζ值能满足浆液有效留存封堵的合理范围[0.15，1.5]，在安全灌浆压力范围内，ζ值越高越好。

降低裂隙水流速度的方法：①设计并施工深部引流钻孔，分流泄压，调解流场，降低裂隙水流速度；②如果引流条件困难，可以采取骨料灌浆技术，用膨胀性轻骨料阻塞裂隙，从而达到降低水流速度的目的。

（5）现场浆液配制。现场材料试验，调解浆液的配比，在满足合理浆水比泵量要求下，尽量提高浆液的黏度μ，以期达到最佳扩散和封堵效果。

（6）施工信息实时监测。灌浆施工期间，实时监控涌水水量、水压变化，对围岩变形进行重点监测，控制灌浆压力，确保施工安全。