一种基于新型地质分类的灌浆策略，适用于裂隙岩石

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A novel geological classification based grouting strategy in fractured rocks

基于地质分类的注浆参数优化策略研究。提出地质分类模型与最大注浆压力模型联动的GCGS方法，通过水压测试与井壁成像数据量化岩体渗透性及裂隙密度，计算临界裂隙 aperture指导材料选择，建立考虑宾汉流体流动与力学耦合的模型I中心裂隙模型，确定允许注浆压力范围，并在东庄水电站幕墙注浆工程中验证有效。

　　在复杂且隐蔽的地质条件下，传统的灌浆参数设计往往依赖于经验方法，这种方法在实际应用中存在一定的局限性。为了提高灌浆效果的科学性和精确性，本文提出了一种基于地质分类的灌浆策略（GCGS），该策略整合了灌浆地质分类模型和最大灌浆压力模型，用于量化帷幕灌浆过程中的灌浆参数。通过这一方法，可以更有效地根据地质条件确定灌浆材料和压力，从而实现灌浆工程的优化。

灌浆作为一种常见的地质加固技术，广泛应用于改善地质特性、提高地基承载力以及减少渗水等问题。在实际工程中，灌浆技术的应用效果直接受到地质条件的影响，而复杂的地质结构使得灌浆策略的设计变得尤为困难。以往，工程师主要依靠现场经验对灌浆地质条件进行定性评估，这种方法虽然在某些情况下有效，但难以满足现代工程对精度和效率的要求。

近年来，随着对灌浆地质条件研究的深入，越来越多的研究开始关注如何通过更系统的方法对灌浆参数进行定量分析。例如，一些研究利用了水压测试（WPT）获得的形成渗透性和钻孔成像技术获取的裂隙密度，结合地质分类图，对灌浆地质特性进行了更加全面的描述。此外，为了克服传统方法在处理多因素、非线性和多目标问题时的局限性，机器学习技术被越来越多地应用于灌浆参数优化，例如基于自适应神经模糊推理系统（ANFIS）和深度信念网络（DBN）的模型，这些模型能够更准确地捕捉灌浆过程中的复杂关系。

然而，尽管已有诸多研究，现有的灌浆地质分类方法仍然主要依赖于对现场数据的定性分析，这种方法在实际应用中存在一定的主观性和不确定性。因此，本文提出的GCGS策略试图在这一方面进行改进，通过建立更加科学和系统的模型，使得灌浆参数的设计能够更加精准和可靠。该策略不仅考虑了灌浆地质条件的特征，还结合了灌浆过程中流体流动和机械效应的耦合关系，从而实现对最大灌浆压力的合理估算。

在灌浆过程中，流体的流动和固化是关键因素，这些过程直接影响到裂隙的密封效果以及岩石体的结构和力学特性。流体在裂隙中的扩散通常受到压力和裂隙特征的影响，而压力作为重要的设计参数，对灌浆效果具有显著影响。一方面，提高灌浆压力可以增强流体的渗透能力，从而改善灌浆效果；另一方面，过高的压力可能导致裂隙的扩展和破坏，从而影响灌浆的稳定性。因此，如何在确保灌浆效果的同时，避免因压力过高而引发裂隙扩展，成为灌浆工程中的关键问题。

现有的灌浆压力计算方法通常忽略了流体流动对裂隙扩展的潜在影响，这种忽略可能导致设计压力过于保守，从而影响灌浆效率。此外，一些研究虽然考虑了现场应力，但在计算最大允许压力时，未充分考虑岩石裂隙韧性的影响，导致模型的不完整性。因此，本文提出的GCGS策略在计算最大灌浆压力时，引入了Bingham流体的流动特性以及Model I中心裂隙模型的机械效应，从而更全面地考虑了灌浆过程中的流体动力学和力学耦合关系。

为了验证GCGS策略的有效性，本文在东庄水利枢纽工程的帷幕灌浆现场试验中进行了应用。通过现场数据的采集和分析，研究人员发现，当灌浆材料的粒径与灌浆地质模型相匹配，并且灌浆压力处于GCGS模型计算出的允许范围内时，可以实现更优的灌浆效果。这表明，GCGS策略不仅能够提供科学的灌浆参数设计依据，还能有效指导实际工程中的灌浆操作。

在GCGS策略的实施过程中，研究人员首先对灌浆地质条件进行了分类，这一分类基于形成渗透性和裂隙密度等关键参数。通过对这些参数的定量分析，研究人员能够更准确地判断裂隙网络的临界裂隙宽度，并据此选择合适的灌浆材料。同时，为了进一步优化灌浆压力，研究人员还引入了最大灌浆压力模型，该模型综合考虑了Bingham流体的流动特性以及裂隙扩展的机械效应，从而能够更科学地确定允许的灌浆区域。

在模型建立的过程中，研究人员对裂隙几何特性和流体流变特性进行了敏感性分析，以评估它们对最大灌浆压力的影响。通过这一分析，研究人员发现，裂隙的几何特性（如裂隙宽度、裂隙密度和裂隙分布模式）以及流体的流变特性（如粘度和流动性）对最大灌浆压力具有显著影响。因此，在实际工程中，需要根据具体的地质条件和流体特性，对灌浆压力进行合理调整，以确保灌浆效果的最大化。

此外，本文还探讨了灌浆地质分类模型与灌浆参数之间的关系，研究人员发现，传统的灌浆参数设计方法往往缺乏对这些关系的系统分析，导致参数选择的随意性和不科学性。因此，本文提出的GCGS策略不仅能够提供更系统的模型支持，还能有效提升灌浆参数设计的科学性和精确性。通过这一策略，研究人员能够在实际工程中更加精准地控制灌浆过程，从而提高灌浆效果的稳定性。

在实际应用中，研究人员对东庄水利枢纽工程的帷幕灌浆进行了现场试验，通过对试验数据的分析，研究人员发现，当灌浆材料的粒径与灌浆地质模型相匹配，并且灌浆压力处于允许范围内时，能够实现更优的灌浆效果。这一结果表明，GCGS策略在实际工程中具有较高的应用价值，能够有效指导灌浆参数的设计和实施。

综上所述，本文提出的GCGS策略在灌浆参数设计方面具有重要的理论和实践意义。该策略通过整合地质分类模型和最大灌浆压力模型，能够更科学地量化灌浆参数，提高灌浆效果的稳定性。同时，通过对裂隙几何特性和流体流变特性的敏感性分析，研究人员能够更全面地评估这些因素对灌浆压力的影响，从而为灌浆工程提供更可靠的设计依据。在未来的研究和工程实践中，GCGS策略有望成为一种更加科学和系统的灌浆参数设计方法，为复杂的地质条件下的灌浆工程提供新的解决方案。