一种松散漏失地层注浆模拟装置及方法

1.本发明涉及一种松散漏失地层注浆模拟装置及方法，属于注浆模拟试验领域。


背景技术：

2.在岩土注浆工程领域，常遇松散漏失地层，如断层破碎带，坡前堆积架空地层。在此注浆面临浆液漏失量大、环境危害性高、难以满足工程设计对于效益以及工期的需求。更有浆液全部流失、难以返浆的现象时常发生（如锚固工程注浆等），给岩土注浆工程带来了极大的挑战。因此，急需有效技术手段辅助解决上述工程问题。
3.现阶段，物理模型试验被广泛应用于注浆参数获取。据公开号为cn113063701a，公开日期为2021年07月02日的中国专利文献，公开了饱和砂土地层可视化注浆模拟装置及方法，其特征在于：包括受注体容器以及填充在所述受注体容器内的透明砂土介质，所述受注体容器由透明材料制成，所述透明砂土介质由吸水膨胀后的海洋宝宝按预设级配组成，所述受注体容器与注浆系统、围压系统以及水压控制系统连接，所述注浆系统向所述透明沙土介质注浆，所述围压系统实现对所述透明砂土介质的围压加载，所述水压控制系统向所述透明沙土介质提供地下水并控制水压力，所述饱和砂土地层可视化注浆模拟装置还包括监控系统，所述监控系统监控注浆参数以及采集、储存图像数据，该发明可实现对饱和砂土在不同注浆参数下的注浆效果进行可视化评价。
4.但对于松散漏失地层而言，面临的实际工程难题主要集中在浆液漏失量大，因此，评价浆液在松散地层中的渗漏特性以及对渗流通道的封堵过程就显得尤为重要。但就目前已有的注浆模拟装置而言，尚不能针对松散漏失地层进行注浆过程的有效模拟。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术缺陷，为实现对松散漏失地层注浆过程的模拟，探索浆液渗漏特性与通道封堵过程，据此进行注浆材料选择与注浆参数调控，本发明提供一种松散漏失地层注浆模拟装置及方法。
6.本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种松散漏失地层注浆模拟装置，包括循环注浆系统、封堵效率评价系统以及数据采集系统，所述循环注浆系统包括储浆罐、带止浆阀的第一进浆管、注浆泵、第二进浆管、缓冲罐、第三进浆管以及出浆管；所述封堵效率评价系统包括第一流速计、第二流速计、第二压力表、第一止浆阀、试样筒、第三压力表以及第二止浆阀；所述数据采集系统包括第一压力表、第一数码相机、图像采集计算机、第二数码相机、第四压力表；所述储浆罐的上部通过出浆管与试样筒的上部连通，底部通过第一进浆管与注浆泵的输入端连通；所述注浆泵的输出端通过第二进浆管与缓冲罐的下部连通；所述缓冲罐的上部通过第三进浆管与试样筒的底部连通；所述第二流速计、第四压力表均安装在出浆管上；所述第三压力表、第二止浆阀、第二压力表、第一止浆阀均安装在试样筒上；所述第一流速计、第一压力表均安装在第三进
浆管上；所述图像采集计算机分别与第一数码相机、第二数码相机电连接；所述第一数码相机正对第四压力表，所述第二数码相机正对第一压力表。
7.进一步的技术方案是，所述储浆罐包括带法兰盘的圆筒、储浆罐钢架、顶盖、电机、搅拌轴以及带出浆圆孔的底盖，所述第一进浆管与出浆圆孔连通，所述顶盖、底盖分别连接在圆筒的上下两端，所述底盖安装在储浆罐钢架上，所述电机安装在顶盖上，所述顶盖中心开有圆孔，搅拌轴上端穿过所述圆孔后与电机的转轴连接，所述带法兰盘的圆筒右上侧壁开有一个贯通的进浆圆孔，所述出浆管与进浆圆孔连通。
8.进一步的技术方案是，所述圆筒与底盖之间安装有三层密封圈。
9.进一步的技术方案是，所述试样筒包括带法兰盘的试样筒圆筒、试样筒顶盖、试样筒钢架以及带试样进浆圆孔的试样筒底盖，所述试样筒顶盖、试样筒底盖分别安装在试样筒圆筒的上下两端，所述试样筒底盖安装在试样筒钢架上，所述第三进浆管与试样进浆圆连通；所述试样筒圆筒左上侧壁开有一个贯通的试样出浆圆孔，所述出浆管与试样出浆圆孔连通。
10.进一步的技术方案是，所述试样筒圆筒与试样筒顶盖、试样筒底盖之间均安装有密封圈。
11.进一步的技术方案是，所述试样筒圆筒中侧壁开有两个贯穿螺纹孔，所述第一止浆阀、第二止浆阀分别与两个贯穿螺纹孔螺纹连接。
12.进一步的技术方案是，所述第一止浆阀、第二止浆阀的自由端分别采用螺纹连接方式安装第二压力表、第三压力表，用于测量被注介质上下过流断面的水头差。
13.进一步的技术方案是，所述第一流速计、第一压力表均采用螺纹连接方式安装于第三进浆管上；第二流速计、第四压力表均采用螺纹连接方式安装于出浆管上。
14.一种松散漏失地层注浆模拟方法，该方法可实现对注浆效果得定量评价与定性评价，其定量评价具体包括如下步骤：步骤1、将试验所选卵砾石填充于试样筒，模拟松散漏失地层；步骤2、关闭第一进浆管的止浆阀，加水入储浆罐；步骤3、打开第一止浆阀与第二止浆阀，同时打开第一进浆管的止浆阀，开启注浆泵；步骤4、待水流速稳定后，从第一流速计读取流速q，从第二压力表读取水压力p1，从第三压力表读取水压力p2；步骤5、采取以下计算公式计算所模拟地层的初始渗透系数k
in
：式中：l为第二压力表与第三压力表的垂直中心距离，单位为cm，f为试样筒内截面积，单位为cm2；q为第一流速计读取的流速，单位为cm3/s；p1为第二压力表读取的水压力，单位为kpa；p2为第三压力表读取的水压力，单位为kpa；步骤6、记录初始渗透系数，排出装置内循环水，关闭第一进浆管的止浆阀；步骤7、将所选注浆配方按量称取，加入储浆罐，开启搅拌机混合浆液至均匀；
步骤8、关闭第一止浆阀与第二止浆阀，打开第一进浆管的止浆阀，开启注浆泵；步骤9、循环注浆至设计时间，关闭注浆泵，拆下试样筒并移除其试样筒底盖，在不扰动试样筒内部填料的情况下，让试样筒内多余浆液在自重作用下自由流失；步骤10、待试样筒内残留浆液固结硬化后，重新组装试样筒至模拟装置，采用步骤1-5所述方法，测量计算终止渗透系数k
fi
；步骤11、根据试样初始渗透系数k
in
与终止渗透系数k
fi
，计算注浆封堵效率η如下：式中：k
in
为试样初始渗透系数；k
fi
为终止渗透系数；η为注浆封堵效率。
15.一种松散漏失地层注浆模拟方法，该方法可实现对注浆效果得定量评价与定性评价，其注浆效果定性评价具体包括如下步骤：步骤1、将试验所选卵砾石填充于试样筒，模拟松散漏失地层；步骤2、关闭第一进浆管的止浆阀，将所选注浆配方按量称取，加入储浆罐，开启搅拌机混合浆液至均匀；步骤3、关闭第一止浆阀与第二止浆阀，打开第一进浆管的止浆阀，开启注浆泵；步骤4、采用所述数据采集系统每分钟记录一次第一压力表、第二压力表读数，数据采用电脑成图，以此定性分析浆液渗漏特性与地层封堵状态；步骤5、试验完毕，关闭装置电源，将可拆卸式连接断开，分模块清洗装置。
16.本发明具有以下有益效果：一、本发明所述试样筒尺寸可视具体试验需求进行改变，所填充的卵砾石粒径、级配也可根据实际模拟对象进行设计，可满足较多工况下的注浆模拟；二、本发明装置可实现对松散漏失地层的注浆效果从定性和定量两个角度进行系统评价，从定量的角度可利用封堵效率评价系统计算注浆不同时间对松散漏失介质的封堵效率；从定性的角度则可通过数据采集系统监测注浆过程中的压力变化，以此分析浆液渗透特性以及对模拟介质的封堵情况；三、根据本发明装置对注浆效果的评价结果，可对比不同注浆材料对被注介质的适应性差异，从而对注浆材料进行优选，同时也可为配方参数以及注浆参数的设计提供有力支撑。
附图说明
17.图1为本发明的整体结构及连接示意图；图2为本发明实施例3对两种注浆材料封堵松散漏失介质的定性分析结果。
18.图中所示：1为电机；2为顶盖；3为第二流速计；4为第四压力表；5为第二数码相机；6为图像采集计算机；7为出浆管；8为第一数码相机；9为试样筒顶盖；10为第二止浆阀；11为第三压力表；12为试样筒圆筒；13为第一止浆阀；14为第二压力表；15为试样筒底盖；16为试样筒钢架；17为第三进浆管；18为第一压力表；19为第一流速计；20为缓冲罐；21为第二进浆管；22为注浆泵；23为第一进浆管；24为储浆罐钢架；25为底盖；26为圆筒。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.实施例1如图1所示，本发明的一种松散漏失地层注浆模拟装置，包括循环注浆系统，封堵效率评价系统以及数据采集系统。
21.所述循环注浆系统包括储浆罐、带止浆阀的第一进浆管23、注浆泵22、第二进浆管21、缓冲罐20、第三进浆管17、试样筒以及出浆管7构成；其中，所述储浆罐材质为有机玻璃，包括带法兰盘的圆筒26、顶盖2、搅拌轴、储浆罐钢架24、电机1以及带出浆圆孔的底盖25，所述底盖25安装在储浆罐钢架24上，所述圆筒26、顶盖2以及底盖25之间均通过螺栓连接，所述圆筒26与底盖25之间安装有三层密封圈；所述带法兰盘的圆筒26右上侧壁开有一个贯通的进浆圆孔；电机1安装在顶盖2上，所述顶盖2中心开有圆孔，搅拌轴穿过所述圆孔后与电机1的转轴连接；其中，所述试样筒材质为有机玻璃，包括带法兰盘的试样筒圆筒12、试样筒顶盖9、试样筒钢架16以及带试样进浆圆孔的试样筒底盖15，所述试样筒底盖15安装在试样筒钢架16上，所述试样筒圆筒12、试样筒顶盖9以及试样筒底盖15之间通过螺栓连接，且试样筒圆筒12与试样筒顶盖9以及试样筒底盖15之间均安装有密封圈；所述试样筒可填充松散被注介质，其试样筒圆筒12左上侧壁开有一个贯通的试样出浆圆孔，中侧壁开有两个贯穿螺纹孔，第一止浆阀13、第二止浆阀10分别与两螺纹孔螺纹连接。
22.所述循环注浆系统各部分具体安装顺序及方式为：第一进浆管23左端与底盖25的出浆孔进行粘接，右端与注浆泵22的输入端螺纹连接；第二进浆管21左端与注浆泵22的输出端螺纹连接，右端与缓冲罐20的进浆口可拆卸式连接，用以平缓注浆压力；第三进浆管17左端与缓冲罐20的出浆口可拆卸式连接，右端粘接于试样筒底盖15的试样进浆圆孔；出浆管7左端与圆筒26右上侧壁进浆孔进行可拆卸式连接，右端与的试样筒圆筒12左上侧壁的试样出浆圆孔进行可拆卸式连接。安装完毕后由注浆泵22提供注浆动力，实现循环注浆，在本实施例中注浆泵22的流量调节范围为4300-12000l/h，可根据不同的注浆需求选择不同的挡位。
23.所述封堵效率评价系统包括第一流速计19、第二流速计3、第二压力表14、第一止浆阀13、试样筒、第三压力表11以及第二止浆阀10。其中，所述第一流速计19采用螺纹连接方式安装于第三进浆管17；所述第二压力表14和第三压力表11分别采用螺纹连接方式安装于第一止浆阀13、第二止浆阀10的自由端，用于测量被注介质上下过流断面的水头差。所述封堵效率评价系统可基于达西渗流定律进行封堵效率计算，实现对注浆效果的定量评价。
24.所述数据采集系统包括第一压力表18、第一数码相机8、图像采集计算机6、第二数码相机5以及第四压力表4。其中，所述第一压力表18、第一流速计19均用螺纹连接方式安装于出浆管7；图像采集计算机6分别与第一数码相机8、第二数码相机5电连接。所述第一数码相机8正对第四压力表4，所述第二数码相机5正对第一压力表18。数据采集系统主要通过数码相机对循环注浆过程中的注浆压力进行监测，并将图像数据存储于计算机，最后对注浆压力变化过程进行成图，用于对注浆效果的定性评价。
25.实施例2本发明的实施例2提供了一种松散漏失地层注浆模拟定量评价方法，配套于实施例1提供的装置，具体包括如下步骤：步骤1、将试验所选粒径为20-40mm的卵砾石填充于试样筒，模拟松散漏失地层；步骤2、关闭第一进浆管23的止浆阀，加水入储浆罐；步骤3、打开第一止浆阀13与第二止浆阀10，打开第一进浆管23的止浆阀，开启注浆泵；步骤4、待水流速稳定后，从第一流速计19读取流速q，从第二压力表14读取水压力p1，从第三压力表11读取水压力p2；步骤5、采取以下计算公式计算所模拟地层的初始渗透系数k
in
；式中：l为第二压力表与第三压力表的垂直中心距离，单位为cm，f为试样筒内截面积，单位为cm2；q为第一流速计读取的流速，单位为cm3/s；p1为第二压力表读取的水压力，单位为kpa；p2为第三压力表读取的水压力，单位为kpa；步骤6、记录初始渗透系数，排出装置内循环水，关闭第一进浆管23的止浆阀；步骤7、将所选某速凝注浆配方按量称取，加入储浆罐，开启搅拌机混合浆液至均匀；步骤8、关闭第一止浆阀13与第二止浆阀10，开启第一进浆管23的止浆阀，开启注浆泵22；步骤9、循环注浆至设计时间，关闭注浆泵22，拆下试样筒并移除其底盖15，在不扰动试样筒内部填料的情况下放置试样筒，让试样筒内多余浆液在自重作用下自由流失；步骤10、待试样筒内残留浆液固结硬化后，重新组装试样筒至模拟装置，采用步骤1-5所述方法，测量计算终止渗透系数k
fi
；步骤11、根据试样初始渗透系数k
in
与终止渗透系数k
fi
，计算注浆封堵效率η如下：式中：k
in
为试样初始渗透系数；k
fi
为终止渗透系数；η为注浆封堵效率；采用实施例2所述方法，对所选速凝配方注浆不同时间的封堵效率进行计算，结果见表1。
26.表1 速凝配方封堵效率定量评价
由表1可见，采用所选速凝配方对不同试样进行不同时间的注浆，随时间延长，注浆封堵效率逐渐提高，从数据层面反映了注浆封堵松散漏失介质的全过程。
27.实施例3本发明的实施例3提供了一种松散漏失地层注浆模拟定量评价方法，配套于实施例1提供的装置，分别对普通水泥浆与实施例2所选速凝配方的注浆效果进行了评价，具体包括如下步骤：步骤1、将试验所选粒径为20-40mm的卵砾石填充于试样筒，模拟松散漏失地层；步骤2、关闭第一进浆管23的止浆阀，将所选注浆配方按量称取，加入储浆罐，开启搅拌机混合浆液至均匀；步骤3、关闭第一止浆阀13与第二止浆阀10，打开第一进浆管23的止浆阀，开启注浆泵22；步骤4、采用所述数据采集系统每分钟记录一次第一压力表18、第二压力表4读数，数据采用电脑成图，以此定性分析浆液渗漏特性与地层封堵状态；步骤5、试验完毕，关闭装置电源，将可拆卸式连接断开，分模块清洗装置。
28.在本实施例中的注浆配方为普通水泥浆液和速凝注浆配方，采用二者分别进行注浆模拟，试验结果见图2。
29.据图2可知，本发明装置及其定性评价功能可对比不同注浆材料对松散漏失地层的适用性，比如，在实施例3中所述的速凝配方对于该例所选的松散介质就具有更好的封堵效应，具体体现在泵压会随浆液固化而不断增高，这表明所述速凝配方对于自重以及外部压力引起的浆液漏失产生了更好的抵抗作用。而普通水泥浆液即便循环注浆60min，由于浆液水化缓慢，流变特性未发生改变，导致浆液始终沿着渗流通道流失，具体体现在泵压平缓，未见增长。
30.以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。