水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟_刘健

3.2 控制方程 (1) 运动方程 u (u )u { pI [u (u )T ]} g F t (1) 3 式中： 为流体密度(kg/m )，u 为速度场， P 为压力， 2 g 为重力加速度(m/s )， F 为流体所受体积力(N)。 式(1)即为 N-S 方程的全表述。
摘要：普通硅酸盐水泥浆液作为岩土工程注浆中最为常用的浆材，其静水与动水条件下的注浆扩散运移规律是目 前研究的重点。通过模型试验和数值模拟系统研究水泥浆液在静水和动水条件下平面裂隙中的扩散规律；基于流 体动力学理论，分析和验证水泥浆液在地下水影响下的扩散形态及压力场分布特征；通过对比模型试验和数值模 拟数据，分析水泥浆液在静水和动水条件下的运移和扩散机制。研究结果表明：动水条件下浆液扩散开度和逆水 扩散距离存在极限；浆液压力场分布为自注浆孔沿扩散方向迅速衰减，注浆孔附近压力衰减速率最快，逆水方向 压力衰减速率明显大于顺水方向。并据此对传统注浆工艺提出改善建议。 关键词：地下工程；水泥浆液；注浆扩散形态；压力分布规律；模型试验；数值模拟 中图分类号：TU 91 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)12–2445–08
注浆孔
光纤压力传感器 气动搅拌机 气动注浆泵
稳压装置
空压机
浆液搅拌桶
图1 Fig.1
试验台与注浆系统
Test table and grouting system
注浆试验台尺寸为 2 m×4 m(宽×长)，裂隙上层 面由不锈钢框架及高强钢化玻璃组成；裂隙下层主 要由钢框架、填充层、承力层和找平层组成，表面 为环氧树脂找平层，预埋设光纤压力传感器 ( 精度 0.1 kPa)、流速传感器(精度 0.1 m/s)和温度传感器(精 度 0.1 ℃)。通过该系统采集的数据能够实现地下水 压力和流速的测定、浆液扩散迹线形态素描、注浆 压力和地下水流量的实时记录。 水泥浆液作为一种颗粒悬浮型流体，其运动规 律不同于真溶液类流体，裂隙开度对水泥浆液的注 入性能和沉积固结具有重要的影响。研究表明裂隙 开度小于 1 mm 时，水泥浆液将无法进入裂隙内部， 从而无法封堵涌水；当裂隙开度过大时，水泥浆液 将难以通过沉积固结完全封闭导水通道[11]；综合考 虑地下水与浆液因素， 本文试验裂隙开度取为 6 mm。 2.3 试验条件 试验条件包括静水及动水注浆扩散。静水扩散 采用水灰比 W/C = 1∶1 的水泥浆液，搅拌 15 min 后 注入，浆液密度为 1.4 g/cm3，注浆孔直径为 0.05 m， 注浆流量为 22 L/min，根据质量守恒得到注浆孔周 边辐射注浆速率为 0.2 m/s，注浆持续时间为 60 s，裂 隙开度为 6 mm。动水扩散中注浆持续时间为 120 s， 动水初始流速为 0.6 m/s，其他条件不变；浆液法向 流速取 0.6，1.6 m/s 两种工况。 2.4 试验数据采集 2.4.1 扩散形态记录 浆液的扩散形态反映了浆液在注浆压力、地下 水、裂隙参数共同作用下的运移规律[16-17]，特别是
DIFFUSION LAW MODEL TEST AND NUMERICAL SIMULATION OF CEMENT FRACTURE GROUTING
LIU Jian，LIU Rentai，ZHANG Xiao，LI Shucai
(School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China)
Abstract： Ordinary silicate cement grout is one of the most commonly used grouting materials， of which transport and diffusion laws have become one of focus of geotechnical engineering fields. Diffusion laws of cement grout in planar fracture were researched systematically by model experiment and numerical simulation. Based on the theory of fluid dynamics，action mechanism of the grout diffusion patterns and pressure distribution laws influenced by movement of groundwater were analyzed. Through comparing the experimental and numerical simulation data，the transport and diffusion mechanism of cement grout in the hydrodynamic and hydrostatic conditions were studied. According to the study results，under the hydrodynamic condition，pressure of cement grout decreases rapidly from the grouting hole；and the pressure decreases extremely at the direction opposite to water flowing. At the same time，there are limits of diffusion space and distance opposite to the water flowing direction. Some suggestions were put forward to improve traditional grouting techniques. Key words：underground engineering；cement grout；grouting diffusion morphology；distribution law of pressure； model test；numerical simulation 诸多行业中的应用已有 200 多年的历史[1]。经过多
。在注浆材料应用方面，普
[3-4]
通硅酸盐水泥是目前最常用浆材。对普通硅酸盐 水泥浆液的注浆扩散机制，曹胜根等 进行了相 关研究。现有理论主要通过研究注浆压力、被注介 质参数、浆液流型、扩散迹线、水压力与水流速之 间的相互作用机制及其动态力学过程，从而建立不 同的浆液扩散理论模型，如渗透注浆、挤密注浆、 劈裂注浆、裂隙注浆等。近年来，大量工程实践表 明，地下水运动对浆液的扩散运移过程影响显著， B. Tirupati 等[5-9]深入研究了动水条件下浆液扩散规 律展现出的各向异性问题，推动了注浆理论的发 展。但目前仍存在以下问题亟需解决：关于地下水 运动、注浆速率对浆液扩散形态与压力场的分布影 响缺乏研究，致使注浆设计仍依赖工程经验；缺乏 大型模型试验或现场试验对水泥浆液注浆扩散的规 律进行验证；对裂隙条件下动水注浆扩散规律的系 统研究较少[10-12]；运用数值手段对浆液运移过程进 行动态模拟，直观展示了浆液运动基本形态的相关 研究较少[12-15]。 为解决上述问题，本文运用模型试验系统研 究了水泥浆液在静水和动水条件下平面裂隙中的扩 散规律，分析浆液在地下水快速流动影响下展现出 的特殊规律；采用数值模拟方法验证了水泥浆液扩 散的基本形态和浆液在地下水影响下的扩散形态及 压力场分布，实现了浆液在静水和动水条件的动态 数值模拟，深入探讨裂隙注浆扩散机制。研究结果 对于完善动水注浆理论和指导工程设计与实践具有 重要的意义。
第 31 卷 第 12 期 2012 年 12 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.31 No.12 Dec.，2012
水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟
ห้องสมุดไป่ตู้刘 健，刘人太，张 霄，李术才
(山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061)
(2) 连续性方程
u 0
控制区域质量守恒，体积不变。
(2)
连续方程即速度散度为 0，表征了运动过程中
(3) 两相流界面控制方程
u IS (1 ) t | | 为控制界面厚度参数，为动力黏度(Pa・s)。 本文计算采用体积分数方法表征浆–水相界面 的运动规律。 3.3 计算参数 数值模型计算参数如表 1 所示，浆水混合区的 计算形态采用体积分数表示方法。为研究注浆速率 对扩散规律的影响， 分别对浆液法向流速 0.6 和 1.6
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岩石力学与工程学报
2012 年
前注浆理论仍远落后于工程实践，注浆工程缺乏科 学合理的技术指导，以致突涌水灾害治理存在较大 的经验性和盲目性
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试验系统选用山东大学研制的准三维裂隙注浆 模型系统，注浆模型试验系统共分为 5 个部分：可 视化试验台、注浆系统、监测系统、给排水系统和 实时录像系统，如图 1 所示。
(3)
式中： 为水平集变量， 为重新初始化参数， IS
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模型试验的数值模拟
采用 Comsol 软件流体力学模块对模型试验进
第 31 卷
第 12 期
刘
健等： 水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟
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动水条件下浆液的扩散形态，是反映不同地下水流 速对浆液的搬运冲刷作用机制的最直观方式。不同 注浆速率引起的注浆扩散形态变化，则反映了浆液注 入流量对浆液的沉积与充填裂隙能力的影响[18-20]。通 过实时录像系统对试验中浆液的扩散形态进行记 录，并进行迹线扩散形态素描。 2.4.2 压力场分布规律监测 注浆扩散过程中，流速与压力场分布是最重要 的物理规律之一。在保持裂隙开度不变的前提下， 分别研究了静水和动水条件下注浆压力场变化规 律。改变条件进行试验时，因难以保证试验条件完 全一致，注浆速率和动水流速可能存在误差，试验 中当水流速和注浆速率误差不大于 5%即认为是同 等边界与初始条件。 通过压力传感器对注浆过程中压力场的时空变 化进行监测，由于传感器布设密度有限，因此注浆 压力分布曲线非完全平滑。扩散距离为 0 处为注浆 孔位置，因注浆孔处无法安装传感器，采用注浆管 路处压力值代替。
2
裂隙注浆模型试验
2.1 试验设计目的 为了揭示浆液在具有一定流速的动水条件下的 扩散运移规律，研究其扩散形态和压力场分布，本 试验设计的目的为： (1) 研究浆液在静水及动水不同注浆速率条件 下的扩散形态，为动水治理工程中注浆孔布置提供 参考依据。 (2) 研究注浆过程中压力场变化规律，为动水 注浆治理工程中的注浆终压选择提供依据。 (3) 对现有水泥注浆扩散理论提供试验验证。 2.2 试验系统
1
引
言
年的发展，注浆也已成为地下工程中一种重要的水 害防控方法，用于解决诸如地下水突涌水封堵、地 基渗漏防治等问题。但因注浆扩散理论涉及材料、 化学、流体力学等学科且岩土体物理模型复杂，目
注浆可改善岩土体各项物理力学参数，使之 适用于工程需求，其在能源、矿业、交通和建筑等
收稿日期：2012–05–04；修回日期：2012–08–28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41172267)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2011EEM004)；山东大学自主创新基金资助项目(2010TS044) 作者简介：刘 健(1975–)，男，2006 年于天津大学水利水电工程专业获博士学位，现任副教授，主要从事岩土工程和结构工程等方面的教学与研 究工作。E-mail：lj75@sdu.edu.cn