引水隧洞复杂裂隙围岩高压灌浆浆液扩散过程研究

随着我国抽水蓄能电站的大量兴建，超高水头引水隧洞逐渐增多，高压固结灌浆是保证隧洞围岩稳定的一种有效技术措施，其中灌浆参数的取值对于工程设计至关重要。本文利用COMSOL多物理场耦合软件平台，采用蒙特卡洛方法，结合MATLAB进行二次开发生成三维随机裂隙，基于浆液流变理论、流体连续性方程和对流扩散运动方程，以阳江抽水蓄能电站引水隧洞围岩高压灌浆为例，研究了不同水灰比、灌浆压力、灌浆时间对于三维网络裂隙岩体的浆液扩散过程的影响。模拟分析结果表明：水灰比对浆液扩散影响较大，浆液扩散距离和水灰比成正比;灌浆起始阶段水泥颗粒运移距离与灌浆历时呈正相关，但灌浆范围内的裂隙达到饱和后颗粒运移距离不再随时间延长而增加;在灌浆过程中需要逐步提高压力，以保证浆液充分渗透到裂隙内部，当灌浆压力超过一定数值，水泥颗粒运移量受灌浆压力影响较小。本研究可为同类型灌浆数值模拟开发和灌浆工程设计提供参考。     

考虑参数动态变化和相互关联的浆液扩散范围研究

土体注浆加固与防渗施工引起的浆液扩散过程,涉及固体骨架应力应变、浆液的渗流场分布以及浆液浓度垂直于扩散方向的分布梯度等问题。基于多孔介质渗流场和应力场的耦合作用,考虑注浆浆液参数的粘时变特性,以及注浆过程中多孔介质的密度、孔隙率、渗透率等物性参数的动态变化,分析注浆过程中的土体物性参数相互关联性和动态变化过程,给出了浆液时变和多孔介质参数动态变化的渗流场与应力场耦合的注浆扩散的模拟实现过程。采用有限单元法对均质土体进行流固耦合作用下注浆扩散范围的数值模拟,得到了黏度时变和黏度不变条件下的球形扩散半径和柱面扩散半径范围。与经典注浆扩散理论对比分析可知,考虑浆液时变特性、土性参数的动态变化和相互关联的流固耦合作用模拟可以很好地分析土体中浆液扩散范围。     

大坝基岩帷幕宾汉姆浆液灌浆的三维数值模拟

由于灌浆工程的掩蔽性和地质条件的复杂性,如何准确地确定复杂地质条件下浆液的扩散规律是灌浆数值模拟分析的关键及难点。目前,在水利工程中灌浆数值模拟的相关研究未考虑宾汉姆浆液扩散过程中两相流特征和大坝基岩的复杂地质条件;且主要以单一裂隙或单个灌浆孔为研究对象,均未进一步涉及浆液锋面的模拟。针对上述问题,本文建立包含不同地层、不良地质体和帷幕孔的三维精细地质信息统一模型,在CFD商用软件STAR-CCM+中采用耦合VOF法的三维非稳态宾汉姆浆液气液两相流灌浆模型,实现了宾汉姆水泥浆液在大坝基岩中的多孔分序灌浆精细模拟,并分析了浆液的扩散规律和灌后帷幕搭接情况。运用该模型模拟某水电站的基岩帷幕灌浆过程,结果表明:在一定时间范围内,浆液扩散半径随灌注时间而增加,但其变化率呈递减趋势;各序孔灌注完成后,浆液锋面搭接良好;将灌浆量和灌浆时间的模拟值与现场实测值相比,平均误差分别为9.08%和6.32%,模拟值与现场实测值基本吻合,验证了该模型的可靠性。     

基于均匀设计的砂砾石层浆液扩散规律研究

在砂砾石层灌浆中,渗流对浆液在不同方向上扩散的影响一直是研究的空白。现通过室内灌浆模拟试验,采用均匀设计的方法构建试验方案,对不同渗流强度砂砾石层中浆液在不同方向上的扩散规律进行了研究,分析了灌浆压力P、水灰比m、渗透系数k以及渗流速度v对浆液在不同方向上扩散半径R0的影响,并得出回归关系式。试验结果表明:对浆液扩散半径R0影响最显著的是灌浆压力P,渗透系数k的影响次之;渗透速度v与上游向扩散半径Ru负相关,与下游向扩散半径Rd显著正相关,而对侧向扩散半径Rl的影响很小。     

松软地层灌浆参数 细观数值模拟研究

灌浆压力、灌浆量等灌浆控制参数直接影响灌浆防渗加固效果,对松软地层灌浆,增大灌浆压力对浆液扩散有利,但压力过大又会导致冒浆、串浆。长期以来,灌浆控制参数根据经验确定,文章基于散体介质理论的颗粒流方法,运用PFC2D软件对松软地层进行灌浆控制参数模拟,得到不同孔深不同地层的灌浆起劈压力、极限灌浆压力,以及浆液扩散范围区间。论证了对于松软地层灌浆,低于起劈压力,只会在孔周围产生渗透和压密效应,有效防渗范围有限,但超过极限灌浆压力,又会造成无效灌注,甚至安全事故。结合工程实践,推荐的松软地层灌浆控制参数,可作为灌浆工程设计,确定孔排距、灌浆结束标准等参数的依据。     

黏性浆液在小孔隙多孔介质中扩散的流固耦合分析

该文基于有效应力原理建立了描述黏性浆液在小孔隙多孔介质中扩散的流固耦合模型.通过对小孔隙多孔介质注浆过程中的浆液渗流场分布与固体骨架的应力应变特性的流固耦合分析,得到了各动态参数如孔隙率、应变率等的相互关系并在施工现场进行了试验.经过与施工现场试验数据对比,得到的数值分析结果与试验结果基本一致,验证了该流固耦合模型运用于注浆工程的可行性与实用性,可作为小孔隙多孔介质地层防渗注浆设计和注浆效果的初步评判.     

坝基裂隙岩体三维灌浆数值模拟

坝基灌浆工程地质条件复杂且具有隐蔽性,如何建立能准确反映岩体内裂隙分布情况的三维随机裂隙网络模型,并进行浆液扩散特征的研究是灌浆数值模拟的关键和难点。现有研究大多通过岩体揭露面统计资料估计裂隙的几何参数,无法有效反映复杂裂隙真实特征,且灌浆模拟研究中多将裂隙简化为单一裂隙或规则裂隙网络。本文采用Monte Carlo法建立三维随机裂隙网络模型;提出三维裂隙宾汉姆流体灌浆数学模型,实现对随机裂隙内宾汉姆浆液扩散特征的研究;运用该模型对某水电站坝基裂隙岩体灌浆过程进行模拟,结果表明：浆液主要在与灌浆孔相交的裂隙内流动,灌浆压力在灌浆孔附近衰减速率最快且对浆液扩散的影响较为显著。同传统裂隙灌浆模拟相比,该方法能有效反映复杂裂隙的真实特征,获取更贴近实际工程的灌浆结果,为保障灌浆工程的安全建设和经济合理性提供了理论依据。     

基于三维随机裂隙网络的坝基多孔分序灌浆数值模拟

大坝基岩内节理裂隙数量众多、分布随机性强。针对裂隙灌浆数值模拟研究现状,在耦合多孔的三维随机裂隙网络岩体灌浆模型的基础上,提出了多孔分序灌浆实现方法,并结合实际工程,进行了考虑隙宽随机分布的裂隙灌浆数值模拟研究,分析了灌浆孔序对浆液扩散压力场和单宽流量的影响规律。通过模拟灌浆量和灌浆时间与实际值的对比分析,验证了该方法的可靠性。     

基于离散元模拟的黏土劈裂注浆扩散特性

为从细观角度研究劈裂注浆对富含黏土隧洞的加固效果,依托滇中引水工程伍庄村隧洞进口段,采用离散元软件PFC^2D,基于离散元流固耦合理论、平板窄缝流动模型与Fish语言的二次开发,实现了注浆过程中浆液和土体颗粒的相互作用,建立了颗粒流劈裂注浆数值模型。研究了注浆时步、注浆压力、颗粒粒径比及黏结强度对浆液扩散半径及土体孔隙率的影响。结果表明：注浆压力是影响土体加固效果的主控因素,随着注浆压力的增大,浆液扩散半径不断扩大,孔隙率持续增加,与注浆孔距离越远,对孔隙率影响越小,存在最优注浆压力。土体细观参数对注浆后宏观力学特性有较为明显的影响,随颗粒粒径比和黏结强度的增大,浆液扩散半径及孔隙率明显减小。将数值模拟结果与室内模型试验结果对比,发现二者趋势吻合较好,与实际相符,验证了所建立的注浆数值模型的正确性。     

砂砾石土灌浆浆液扩散半径试验研究

砂砾石层灌浆施工中,水泥浆液的扩散半径决定着灌浆孔的布置和浆液消耗量,也是选择工艺参数、评价灌浆效果的重要依据,因此,水泥浆液的扩散半径是灌浆施工中非常重要的参数。通过设计正交试验,对影响水泥浆液扩散半径的几个因素(水灰比、孔隙比、灌浆压力)进行了试验研究。试验结果表明:水灰比是影响水泥浆液扩散半径最显著的因素,水泥浆液的水灰比越大,浆液中的多余水分越多,对水泥浆液流动性能的改善越显著。     

砂雨模型制备PFC3D的数值模拟

伴随土工离心试验的应用拓展与量化需求的提升,试验模型孔隙率、均匀性的精确控制与影响因素,成为目前土工离心试验技术发展的重要课题。砂雨法作为土工离心试验常用制模方法,因其制备过程与天然粗粒土地基形成过程相似、颗粒不易破碎、制样密实度范围较宽等特点被广泛应用。为认识砂雨法制备模型孔隙率的控制因素与影响规律,基于PFC3D离散元分析软件,建立了砂雨法成型过程数值模拟方法,通过探讨落距、筛孔粒径比、环境介质等因素影响规律及与已有认识进行对比,论证了数值模拟分析方法的可行性。结果表明:制备模型孔隙率与落距呈负相关性,孔隙率随落距增大而减小且趋势逐渐变缓;孔隙率与筛孔粒径比呈正相关性,孔隙率随筛孔粒径比增大而增大;孔隙率与环境介质密度呈负相关性且影响显著,模型表面水层对孔隙率起主导控制作用。     

基于波速对渗透性反演的富水砂岩注浆效果分析

针对富水破碎砂岩注浆止水效果难以逐点检测的问题,提出采用声波测井反演渗透性,对细部止水效果进行评价。基于Wyllie-Clemenceau波速-孔隙率公式以及Kozeny-Carman渗透方程,建立了富水砂岩波速-渗透率理论模型。以湖南某地基注浆工程为研究对象,采用岩心试验、声波测井以及压水试验,获取了注浆前、后岩心及岩层的波速和渗透率,通过拟合岩心数据,验证了波速-渗透率模型,并发现其存在以下规律:波速与渗透率呈非线性负相关,关系曲线具有明显的变化率分界点;注浆影响骨架波速与岩性指数。将测井波速反演的各测点计算渗透率与压水试验渗透数据对比,验证了模型在工程中的可靠性。以计算渗透率为基础,建立了富水砂岩注浆效果定量评价体系,并对案例进行了评价。     

砂砾石土渗透注浆浆液扩散规律及扩散半径影响因素试验研究

注浆技术在砂砾石土等水利工程的建设中发挥着越来越重要的作用,但是注浆技术存在理论研究滞后于工程实践需要的现象,需要对浆液扩散规律及浆液扩散半径等进行研究。通过设计试验,将拌合水泥浆用的自来水加热并插入温度传感器的方法,来探测水泥浆液在砂砾石层中的扩散过程;并通过正交试验,分析孔隙比e、水灰比m、灌浆压力p等各因素对扩散半径的影响。试验结果表明,浆液扩散过程中其时间t与扩散半径R呈较好的三次函数关系,这与Magg公式基本一致;而在水泥浆液的扩散半径方面,相对于孔隙比和灌浆压力,水灰比起着更显著的影响。本试验工作为砂砾石土灌浆技术提供了有益探索。     

微生物灌浆加固砂土效果的试验研究

利用微生物灌浆对砂土地基进行防渗加固处理是一种新型的地基处理方法,材料的浓度是影响灌浆效果的重要因素。本文采用小尺度微生物灌浆试验研究了不同菌液浓度、钙源浓度及尿素浓度对砂土灌浆效果的影响,通过环境电镜扫描(ESEM)分析了砂土颗粒的结晶体的形态变化,揭示了微生物成因和生长规律,通过力学和渗透试验探讨了加固体的强度和渗透特性。研究表明,随着菌液浓度的增加,菌液的活性有明显的提高,微生物结晶体呈多级生长,砂柱的抗压强度有所提高,菌体分泌的胶质有机物也会提高砂柱的抗渗透能力,但菌液浓度过高则对改善砂土的指标有限,可根据工程防渗加固的不同要求选择合适的菌液浓度。钙离子浓度为1,尿素浓度为2时,砂柱的结晶体均匀致密,灌浆效果较好。实验得到的砂柱最大抗压强度为22.5 MPa,最小渗透系数为2.12×10~(-5)cm/s。研究结果对促进微生物灌浆技术的应用具有指导意义。     

酸性水玻璃浆材的研究及应用

 使用强酸性水玻璃注浆加固地层，浆液胶凝时间长并难以控制，仅适用于我国北方碱性土质。为此进行了多种配制试验，试验结果表明：用特殊材料制成的弱酸性水玻璃浆液胶凝时间易控制，适用于我国南方酸性土质；乳液型强酸性水玻璃浆液具有较高的固砂强度，适用于酸碱地层；含铝盐的酸性水玻璃固砂体具有更高的抗渗性能。     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础.本文开展了粗化床面条件下的水槽试验,分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化,并与已有均匀沙试验进行了对比.结果表明,粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体,形成比平整床面更复杂的底部边界,粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响,颗粒在运动过程中与水...     

基于传递矩阵算法的裂隙注浆扩散机制研究

在裂隙岩体注浆工程中,由注浆压力引起的裂隙位移对注浆扩散过程影响显著.为研究浆体在裂隙岩体流动时浆液的扩散规律,克服以往假设裂隙无开度变化且仅在单一裂隙内考虑浆液扩散的情况,将传递矩阵算法引入宾汉流体本构方程,利用传递矩阵求解任意位置处的裂隙位移,同时建立考虑浆液在岩体间劈裂注浆的简化裂隙岩体模型通过加设阻力来模拟浆液...