基于动水注浆试验与数值模拟的动水注浆压力场研究

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随着国民经济越来越快的发展,目前中国的地下工程也越来越多。矿山、隧道、地铁等新项目不断发展,工程中的各种地质灾害也越来越明显,其中突涌水问题是主要的地质灾害。随着矿山开挖深度不断增加,位于我国地质过度阶段的西部的公路、铁路隧道的不断建设,突涌水灾害带来的危害越来越严重,对施工过程中的生命财产安全造成巨大威胁。地下工程施工过程中发生的突涌水灾害复杂多样,注浆是有效解决突涌水问题的有效手段之一,但是注浆过程中浆液以及裂隙水产生的压力会对周围结构,如衬砌结构,甚至是地上建筑物的结构产生影响,影响结构的稳定性,容易诱发突涌水成功封堵后的灾害。因此本文从可视化准三维动水注浆试验出发,基于国内外动水注浆压力理论研究,结合Fluent和Comsol软件模拟,分析动水注浆压力分布,下面对主要内容进行概括:(1)建立注浆堵水的数学模型,对注浆压力理论进行研究,理解幂律流体及宾汉姆流体本构方程、运动模式以及扩散理论。本文基于水泥浆流体为幂律流体的假设,建立数学数学模型,在考虑到注浆裂隙粗糙度的基础上,利用注浆压力方程对注浆压力进行求解。浆液随着扩散距离注浆口越来越远,同时,注浆压力也呈现递减状态。而且随着浆液的扩散,注浆压力减小的速率也逐渐降低。(2)进行可视化准三维动水注浆试验。该试验台可以进行不同条件下的动水注浆试验,模拟不同注浆参数的动水下的浆液的扩散,并且能够检测试验台中的压力、温度、流速等数据以及实时监测浆液的扩散过程,可以为动水注浆下的浆液扩散以及动水注浆压力理论研究提供基础。试验中共采用三种不同的注浆材料进行试验,分别为:水泥浆、高分子化合物、化学浆液。三种材料分别代表不同类型的材料,试验中,三种材料发生不同的扩散现象。水泥浆发生充填扩散现象,可实现对裂隙的成功封堵;高分子化合物发生驱替扩散现象,扩散过程中将裂隙水完全驱赶出扩散区域;在进行化学浆液扩散试验时,考虑到经济性,使用的是替代品,并非实际工程中使用的化学浆液,主要用来观察物理性质相似的化学浆液的扩散过程。(3)使用Fluent和Comsol软件进行浆液扩散的模拟,利用软件模拟观察不同条件下的浆液扩散过程以及随着注浆过程的进行,动水注浆压力场的改变。软件计算结果表明,注浆压力在水流方向从注浆口向两侧逐渐递减,在水流逆向递减较快,在垂直于水流方向,压力从注浆口所在水流方向轴向向两侧递减,呈现出对称形式。
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