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。     

辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆-水两相流特征

裂隙灌浆是处理坝基工程地质问题的重要手段，而现有的裂隙灌浆研究常忽略了水相对浆液扩散过程的影响，不能真实反映浆液侵入过程。为了准确地模拟坝基裂隙灌浆过程，采用相场法分析了裂隙介质中浆液侵入特征，构建了考虑水相作用的粗糙圆盘裂隙数值模型，分析了裂隙粗糙度、裂隙开度、灌浆速度、灌浆压力对辐射流动条件下浆液侵入特征的影响。研究结果表明：恒定灌浆速率条件下，相界面移动速率随时间逐渐减小；粗糙凸起体会引起黏性耗能，导致粗糙圆盘孔口压力显著大于光滑圆盘；恒定灌浆压力条件下，提高灌浆压力比延长灌浆时间更加有效，开度越小浆液侵入量越小；灌浆驱水效率不仅受粗糙度大小的影响，还与凸起体的分布相关；灌浆孔附近的粗糙凸起体引起的剪切速率扰动大于远场的。     

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。     

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在岩体内扩散的能量耗损,从而在平板裂隙条件下可以完整准确描述浆液在裂隙中及岩体间连续扩散的过程,建立了基于传递矩阵法的裂隙岩体注浆模型。应用有限元软件ＣＯＭＳＯＬ分别建立单裂隙、多裂隙注浆模型对上述理论模型进行对比验证。     

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。     

坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法

为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元（EFE）模型,使用离散裂隙网络（DFNs）技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。     

岩体裂隙内稳定水泥浆液扩散范围的理论分析

根据粗糙裂隙的等效水力开度与力学开度的关系,导出了计算粗糙裂隙内流体扩散范围的修正系数;然后建立了宾汉浆体在光滑裂隙内的辐射流运动方程,求解得到预测稳定水泥浆液最大扩散距离的解析公式;该公式经给定的修正系数修正后可应用于粗糙岩体裂隙。研究结果表明,现有求解岩体裂隙内浆液扩散半径的理论公式中,裂隙的开度值应取粗糙裂隙的等效水力开度,且预测公式应该用一个小于1的系数修正。     

松散坝基灌浆加固的封孔浆体性能研究

压力灌浆是对松散坝基进行防渗加固的有效手段,但在松散土石混合体压力灌浆防渗施工中存在难封孔、低压重复劈裂、难以起压等问题。从封孔浆体劈裂破坏模型、封孔浆体止浆机制及浆液性能对封孔止浆效果的影响等方面对封孔浆体止浆性能进行了研究。结果表明:影响封孔浆体劈裂压力及保压时间的因素主要有浆料强度、裂隙开度、浆液流变性及浆体高度;封孔浆体的劈裂压力与注浆料的流变性相关,随封孔浆料强度的增大而相应变大;封孔浆体劈裂压力随裂隙开度的增大而降低,裂隙开度对劈裂压力的影响随封孔浆体高度的增加明显增大;适当提高封孔浆体强度可以有效减小裂隙开度,提高封孔浆液浓度也有利于获得较大的塑性黏度和屈服应力,确保浆体封孔效果。     

裂隙岩体二维渗流水力学理论模型研究

本研究主要内容包括 :裂隙岩体随机网络模拟、分形几何描述裂隙岩体参数几何特征、二维裂隙岩体等效渗透系数估算、二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合模型、三维等效连续介质渗流模型、二维裂隙岩体连续介质与离散介质耦合模型、渗流模型与离散元应力模型耦合分析工程问题等。(1)利用三维裂隙网络随机模拟模型 ,针对乌江构皮滩水利枢纽工程平硐裂隙数据 ,研究其裂隙几何参数的分布情况 ,对其中一个优势裂隙组进行了模拟和检验。在模型中 ,基于蒙特卡罗方法 ,对裂隙隙宽的模拟进行了尝试。并应用分形几何的理论对其网络分维和裂隙数分维进行了研究 ,提出应用分形几何来模拟裂隙岩体中裂隙几何参数的方法。(2 )基于裂隙网络的转形 ,提出了裂隙岩块等效渗透系数的简便算法。与数值计算方法比较 ,其计算更简便迅速。 (3)推导了裂隙渗流和应力耦合的理论关系 ,建立二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合非稳定流模型和三维等效连续介质渗流模型。耦合模型中应用经典耦合关系进行了计算验证 ,模型可以计算多种耦合关系。 (4)建立二维裂隙岩体连续介质和离散介质耦合非稳定流模型 ,并对其数值算法进行了研究。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动 ,使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔     

Fisher模型在岩体裂隙面模拟中的应用

本文分析了岩体裂隙面倾角的概率分布模型Fisher模型的特点、使用条件和使用方法。由于Fisher模型用球面坐标表示,且与工程常用的直角坐标系存在旋转变换关系,为方便工程应用,本文推导了该模型球面坐标与直角坐标的旋转变换关系公式,并介绍了应用该模型和坐标旋转变换关系公式模拟岩体空间三维裂隙面倾角的方法。作为应用实例,结合空间裂隙面的其他参数的模拟方法,应用本文介绍的方法对某工程坝基岩体空间裂隙网络进行了成功的模拟。     

裂隙岩体网络注浆渗流规律

本文在裂隙结构模拟的基础上，建立了裂隙网络非牛顿流体的渗流模型，并应用所建立的分析模型进行注浆渗透过程模拟，建立了确定注浆参数的一般方法。在此基础上，本文还讨论了裂隙岩体注浆过程中的渗流和应力耦合问题，分析了应力和渗流耦合对注浆过程的影响。     

利用电子岩芯实现裂隙产状的三维测量研究

目前，钻孔内裂隙的产状测量主要在二维钻孔电视展开图上进行，存在裂隙面不明显、不直观，判别产状时受人为影响较大等问题。电子岩芯是基于钻孔孔壁与岩芯耦合关系建立的三维模型，利用电子岩芯测量裂隙的产状与在二维钻孔电视展开图上测量产状的原理一致，且相比二维模式下测量更有优势。基于电子岩芯进行了三维裂隙产状的测量研究，通过三维平面与裂隙面的匹配实现了对裂隙产状的测量。结果显示，在电子岩芯三维模型中进行测量更为直观、明显，减少了人为因素的影响。     

基于分形理论的坝基裂隙岩体注灰量与导水率关系研究

由于天然岩体裂隙分布的隐蔽性和不确定性,很难准确评价天然裂隙岩体的渗透性和可灌性。离散裂隙网络作为描述天然裂隙网络的有力工具,能在一定程度上反应裂隙岩体的某些特征,但都是基于统计意义上的概率分布,无法反应裂隙网络参数的内部联系以及微观特征。Mandelbrot提出的分形几何是描述不规则物体的重要工具,研究发现裂隙网络中的裂隙迹长分布服从分形特征,很多学者利用这一理论对裂隙网络的渗透性进行了研究,推导了裂隙网络渗透系数的表达式。然而缺乏裂隙网络的可灌性和灌浆量的研究。本文首先利用裂隙网络的分形特征和裂隙迹长与隙宽的关系,建立了裂隙岩体导水率的分形模型,推导了裂隙岩体导水率与分形维数的关系表达式,并与已有研究结果进行了对比,证实了该关系式的可靠性。其次,分析了裂隙岩体灌浆注灰量与分形维数的关系,进而推导了注灰量与导水率的关系式,根据注灰量与导水率的关系曲线对灌浆区域的划分,定义了3个不同的灌浆区域:正常区域、微小裂隙区域和扩展区域,分别对应于正常灌浆、微小裂隙较多和裂隙扩展变形这3种不同的灌浆状态。最后,通过与工程实测数据的对比,证实了本文注灰量与导水率关系式的可靠性和适用性,也说明了3个灌浆区域的划分是合理并且重要的。因此,该关系式和灌浆区域的划分可以用来预测和评价实际工程灌浆施工的合理性和可灌性。     

三维裂隙网络渗流计算的边界元法及程序

岩体力学性质受结构面控制，表现出强烈的各向异性。同时工程地质师多年的实践认为岩石结构面是具有统计性的，因此岩体结构面网络模拟成为研究岩石力性质的新方向。其中裂隙网络渗流模拟，特别是三维裂隙网络的渗流计算是结构面网络模拟研究工作的重点和难点。又由于对于具有随机性裂隙网络渗流的计算，需要多次形成裂隙网络样本，并对每个样本进行多次计算，因此对渗流计算比确定性渗流提出更高的要求。本文基于将单个裂隙看作为一个不可压缩的二维各向同性多孔介质的假定，运用加权剩余法，推导了单裂隙渗流的边界单元法公式。通过将裂隙之间的交线看作为内部边界，推导了多裂隙相交时的边界单元法公式。利用FORTRAN 90语言编制了相应的计算程序BIEMNF。为验证程序的正确性，利用计算实例进行了考核。     

基于三维裂隙网络模拟和灰色理论的岩体表征单元体研究

在三维网络模型和灰色理论的基础上建立了确定岩体表征单元体(Representative elementary volume)的新方法。该方法在全面考虑岩体基本特征的同时,用灰色理论中的灰关联分析方法确定REV的大小。在三维网络模型中将裂隙按照其走向和倾角投影到极点图上,并将极点图遵循等面积原则划分成24份,统计出每一区块上的极点数量和该区块含有裂隙的平均直径,作为灰关联分析的参考序列。再用边长为r的立方体来分割网络模型,统计出该立方体投影到24份极点图中每一区块的极点数量和含有裂隙的平均直径,这作为比较序列。通过改变立方体边长r的大小,得出对应的比较序列。对参考序列和比较序列进行灰关联分析,随着立方体边长的增加,关联度值趋于稳定,稳定时的立方体的边长即为岩体REV的尺寸大小。在实际工程应用中得出REV的尺寸是裂隙平均迹长3倍以上的结论。     

大足石刻砂岩模拟裂隙灌浆试验

裂隙渗水是导致世界文化遗产大足石刻文物破坏的一个重要因素。将一种无机环保的改性偏高岭土灌浆材料拟用于大足石刻保护工程,为研究该新型材料的可灌性,进行了室内模拟裂隙灌浆试验。通过石刻砂岩岩板控制裂隙的张开度,着重研究此种材料不同水灰比的浆液在不同灌浆压力、灌浆时间下的灌浆过程及浆体进入裂隙的最小宽度。试验表明浆液能进入的裂隙最小宽度值与水灰比、灌浆压力和灌浆时间均有关;水灰比是控制浆液可灌性的首要因素,而压力的提高并不能显著提高灌浆速度;提高水灰比、灌浆压力及灌浆时间均可改善细小裂隙的灌浆效果。     

幂律型流体劈裂注浆机理研究

劈裂注浆技术已广泛应用于各种地下工程之中,但其理论研究远落后于工程实践。为了明确幂律型流体劈裂注浆机理,基于平板裂缝模型及幂律型流变方程,推导出幂律型流体劈裂注浆最大扩散半径计算公式,并分析其适用范围及参数确定方法,最后通过现场注浆试验对其进行验证。结果表明:① 劈裂注浆最大扩散半径与起裂注浆压力、浆液锋前压力、裂缝劈裂宽度、黏度系数、浆液平均流动速率及流变指数等有关;②通过分析浆液最大扩散半径与注浆压力差之间的关系,发现注浆压力差越大,浆液最大扩散半径越大;同时,根据裂缝宽度与浆液压力差的关系,可知裂缝宽度越大,所需要的注浆压力差越小;③根据工程试验结果,得到幂律型流体劈裂注浆最大扩散半径理论计算值与实际测量值之间的误差,验证了幂律型流体劈裂注浆最大扩散半径计算公式的正确性与可行性。研究成果可为同类型注浆工程提供一定的理论支撑与技术支持。     

三维随机裂隙网络非稳定渗流模型

介绍了在岩体三维随机裂隙网络中进行非稳定地下水渗流分析的数学模型和方法。包括:岩体裂隙系统特征和随机裂隙网络描述，三维裂隙网络非稳定修流数学模型，交叉点和交叉线识别和有限元数值解，井流量在裂隙网络中的分配方法，排水管道问题，非线性模型的迭代解法等。最后，针对裂隙网络中的轴对称井流和任意分布裂隙系统中的排水管道问题对模型进行了应用计算，验证了模型及其算法程序的有效性。