【摘 要】
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注浆封堵是地下工程中针对地下水灾害最主要的处治方法之一。然而浆液粘度的时空变化特征尚未能得到准确的数值表征,且现有数值模拟方法难以刻画浆-水两相混溶所形成的弥散状态。以上缺陷直接限制了数值模拟手段的应用价值,为解决该问题,本文开展了以下工作:(1)基于流体体积法建立了浆水两相系统控制方程,并在这一框架下结合连续组分传输方法,推导了能够独立描述计算域内任意一点浆液粘度变化的时间传输方程。该方程求解了
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注浆封堵是地下工程中针对地下水灾害最主要的处治方法之一。然而浆液粘度的时空变化特征尚未能得到准确的数值表征,且现有数值模拟方法难以刻画浆-水两相混溶所形成的弥散状态。以上缺陷直接限制了数值模拟手段的应用价值,为解决该问题,本文开展了以下工作:(1)基于流体体积法建立了浆水两相系统控制方程,并在这一框架下结合连续组分传输方法,推导了能够独立描述计算域内任意一点浆液粘度变化的时间传输方程。该方程求解了浆液在计算域内的停留时间,即传输时间。结合前人对于速凝浆液粘度时变特征的研究建立了与该时间传输方程配套的粘度模型,据此形成了一套动水注浆浆液时间追踪方法。(2)基于多相互溶假设,构建了考虑浆-水两相存在界面弥散的数学模型,重新推导了适用于该数学模型下的相体积分数传输方程和动量方程,使得浆水两相混溶所形成的弥散状态可以在数值模拟中得到充分考虑。基于以上工作,通过植入本工作所提出的控制方程并进行有限体积离散,利用PIMPLE算法编写了相应的动水注浆时间追踪求解器。(3)为解决前述时间传输方程所暴露出的数值扩散问题,利用逆梯度传输方法在时间传输方程中加入人工对流项以抑制数值扩散误差。经算法验证,重构后的时间传输方程在阶跃面处的计算精度明显提高,能够有效追踪浆液在计算域内的传输时间。随后,通过几项经典算例,讨论了时间传输方程中人工系数H以及两相物性参数对于时间追踪准确度的影响,验证了浆-水粘度差异扩大对于时间追踪的不利影响。最后,开展了浆-水两相混合过程研究,初步验证了前述考虑浆-水两界面弥散数学模型的有效性。(4)在以上算法准确性验证的基础上,利用本方法开展了试验尺度的数值模拟研究。参照前人平板裂隙静水/动水注浆试验,对比了注浆过程中压力、浆液扩散形态与传输时间追踪误差。验证了本方法在裂隙注浆中的有效性,其中在注浆压力与浆液扩散形态上与试验结果一致性较好,对于传输时间的追踪误差控制在3.1%以内。随后,研究了裂隙注浆过程中的封堵规律,揭示在注浆过程中裂隙内近壁面浆液粘度大、最先完成封堵,随后向裂隙内部逐层推进,最终在中心轴线完成闭合的整体封堵特征。该结论对于裂隙注浆的工程实践具备一定的指导意义。(5)参照现有试验分别在考虑和不考虑浆-水两相界面弥散的条件下开展了管道静水/动水注浆数值模拟研究。对比了注浆过程中多项参数与试验监测结果的差异,验证了在管道注浆中考虑浆-水两相界面弥散的必要性,即在考虑两相界面弥散时,管道注浆的数值模拟在注浆压力、扩散形态上更加准确。随后,开展了考虑两相弥散条件下的管道注浆封堵规律研究,揭示了在截面完全由浆液填充时,管道内的浆液固化由壁面向中心发展的封堵过程。为复杂岩溶地区的管道型涌水治理提供了一定的理论指导。
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