注浆是快速治理工程灾害和加固软弱地层的一种重要技术手段，在岩土施工过程中如边坡治理、矿山和隧道堵水^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]}等方面得到广泛应用。注浆加固与堵水研究的关键问题之一是要准确掌握浆液在三维地层中的扩散过程与范围，并进行相关信息的形象化表达。目前的注浆效果分析方法^{[9, 10, 11, 12, 13]}很难实现注浆过程和扩散效果的实时分析，其评价结果存在较大的局限性。

已有研究表明^{[14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]}，流体在地层流动扩散时，会引起地电场电位和电流的变化，地电电位和电流对浆液扩散变化敏感。但当前利用地电测试反映三维地质结构中浆液扩散行为的研究却鲜有报道。基于此，本文通过室内模型试验，利用地电测试进行了三维地质结构(针对弱胶结的岩体)中注浆扩散行为的监测研究。

1 试验设计与操作

渗透注浆物理试验模型如图 1所示。模型材料采用内径67 cm、高97 cm的圆柱形有机玻璃桶，内部充填注浆模拟材料，中心部位为注浆管。试验模型设计为3种岩性构成的4层结构，见图 1(a)，分别代表快速渗透层(A层)、慢速渗透层(B层)和隔水层(C层)。试验材料采用河砂和水泥配制，河砂由细砾组(2 mm≤d<5 mm)、粗粒组(0.5 mm≤d<2 mm)和细粒组(d<0.5 mm)3个组分，水泥采用标号425^#的普通硅酸盐水泥。快速渗透层A层配比采用质量比为m(细砾组)∶m(粗粒组)∶m(细粒组)∶m(水泥)=3∶11∶6∶1.6比例均匀拌和压实制成；慢速渗透层B层配比采用质量比为m(细砾组)∶m(粗粒组)∶m(细粒组)∶m(水泥)=1∶4∶15∶1.6均匀拌和压实制成；非渗透层C层配比采用质量比为m(细粒组)∶m(水泥)=3∶1比例均匀拌和压实制成。试验材料均在装填前搅拌均匀，装填时压实。试验模型采用径向渗透方式注浆，浆液通过位于模型中心的注浆管施加一定压力后向周围扩散。注浆管用内径为1.2 cm的PVC管制作，管壁每隔2 cm对称开4个小孔。注浆管顶部管口密封，底部与外面注浆管相接。试验过程中采用手动注浆泵控制注浆压力，前5 min注浆压力为0.25 MPa，之后调整注浆压力并稳定在0.05 MPa。试验所用浆液为改性脲醛树脂化学浆液。

图 1 模型层位结构及电极布置图Fig. 1 Model layer structure and electrode arrangement

图选项

地电测试电极布置及相关尺寸数据如图 1所示。电极共分两层，每层32个，共计64个，分别置于A层和B层，沿径向剖面垂直布设在模型中。在A层，A-A′剖面电极从A开始，顺时针方向依次分别编号为1^#，2^#，…，8^#，9^#，…，5^#，…，32^#(见图 1(b))；同样在B层B-B′剖面，测试电极编号依次为33^#，34^#，…，63^#，64^#(如图 1(a)所示)。A，B上下两层电极顶点间距30.1 cm。单个电极长度约4.5 cm。电极距为7 cm，距注浆管7 cm。

测试所用公共电极B，N位于模型顶部，距模型边缘约5 cm。数据采集采用NPEI网络并行电法仪^[14]，数据采集模式为AM法工作，采集数据时，供电电压为24 V，恒流时间为0.5 s。需要指出的是，试验中显示的自然电位为相对值，考虑了人工外加电源影响后的情况(即存在人工激励)。 2 试验监测与分析

注浆开始时间记为0点。表 1为浆液扩散至各编号电极位置的时间情况。A层25^#～32^#电极所示剖面上不同位置处电极自然电位随时间的变化情况如图 2所示(图 2和图 3中虚线框标注中箭头指的是电位突降点对应的时间，也即浆液扩散到达时间)。由图 2(a)可见，由于A层渗透率较大，浆液很快(因0~5 min中缺少测试点，估测时间约为3 min)扩散至在距离渗透中心(PVC管)较近的28^#，29^#电极位置附近，渗透距离为7 cm，表现为电极自然电位快速下降；8.1 min时扩散至27^#，30^#电极位置处；27.1 min时扩散至26^#，31^#电极位置处；42.2 min时扩散至25^#，32^#电极位置处。图 2(b)为17^#~24^#电极情况，分析过程与图 2(a)类似，1^#~16^#与图 2类似，这里不再详述。

图 2 A层不同电极自然电位随时间变化曲线Fig. 2 Natural potentials of different electrodes in layer A varying with time

图选项

图 3 25#~48#电极自然电位随时间变化曲线Fig. 3 Natural potentials of 33rd~48th electrodes in layer B varying with time

图选项

B层41^#～48^#电极自然电位随时间的变化情况如图 3所示。相对于A层，B层渗透率较小，8.1 min 时才扩散至据渗透中心(PVC管)7 cm的44^#，45^#电极位置附近；35.4 min时扩散至43^#，46^#电极位置处；64.3 min时扩散至42^#电极位置处；67.3 min时扩散至41^#，41^#，48^#电极位置处。图 3(b)为33^#~40^#电极情况，分析过程与图 3(a)类似，(49^#~64^#与图 3类似)这里不再详述。

图 4为A，B两层水平方向浆液扩展至距离注浆管不同位置的历时情况。由图 4和表 1可知：(1)渗透性好的A层扩散速率明显快于B层；(2)对于渗透性较大的A层来说，浆液在水平方向的扩散较为均匀；B层在扩散后期各个方向上则呈现出一定的离散性；(3)A层的水平扩散距离dLA和时间t的关系可近似有d_LA∝t(图 4(b)所示)；B层水平扩散距离d_LB和时间t关系呈现为反“S”形，前50 min有和A层情况类似，但扩散速率则相对要慢很多，50 min后呈现为快速扩展阶段。

图 4 浆液水平扩散距离与时间关系Fig. 4 Grout horizontal diffusion distance varying with time

图选项

出现上述情况的原因有：(1)由于A层渗透性好，注浆过程中A层孔隙很快被浆液全部充填(历时约45 min)，相比之下B层则要慢得多；(2)在三维地层被充填过程中，浆液除了存在水平扩散外，还存在竖向扩散，初期表现为浆液竖向扩散以从上到下、从注浆中心管向模型器壁的三维扩散(图 5(a)所示)；扩散后期，特别是A层被充填后，在B层中表现为注浆中心管附近从上到下，从中心管向模型器壁扩散，在模型器壁附近表现为沿着器壁上升，甚至向注浆中心管方向扩散，见图 5(b)。

图 5 浆液扩散渗流示意图Fig. 5 Schematic diagram of grout diffusion seepage

图选项

(1)利用地电测试方法可以较好地进行三维地质结构中浆液扩散过程监测和行为分析，电极自然电位对浆液扩散具有很强的敏感性；

(2)本文的双扩散层中心注浆试验表明，在注浆初期，浆液扩散水平距离和时间的平方根近似成正比关系。

(3)利用地电测试方法可对浆液扩散进行三维可视化分析，进而为评估注浆效果(阻水、加固等)提供强有力依据。