裂隙岩体网络注浆渗流规律

裂隙岩体网络注浆渗流规律)摘要：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。关键词：裂隙模拟；非牛顿流体；渗流；应力；注浆参数收稿日期：2000-03-09作者简介：杨米加(1971-)，男，安徽和县人，中国矿业大学博士，现为河海大学渗流室在站博士后，主要从事裂隙渗流方面的研究。天然岩体内分布着大量的裂隙和孔隙。一般地，岩体中的孔隙尽寸较小但数量较多，而裂隙数量少但其渗透性好，因此在岩体渗流中对渗流起控制作用的主要是裂隙。特别是对于注浆工程，由于注浆浆液都为比较粘稠的悬浮液，在孔隙中几乎是不可渗，因此我们可假定在岩体注浆中，浆液只在岩体裂隙网络中渗流。1裂隙岩体网络模型对岩体裂隙网络模型的研究是从研究地下水活动规律开始的[1～3]。早期的研究一般认为岩体中的裂隙规则分布，或把岩体作为一连续体，把裂隙均匀到岩体的各个质点上去作多孔介质处理。而实际上，裂隙是在长期地质历史作用下形成的，而且由于地质组成的不确定性以及多次地应力的作用，裂隙在岩体中的分布，既体现了一定的规律性又表现出一定的随机性。为了形成即便于计算又反映裂隙赋存状态和裂隙渗流规律的离散裂隙网络模型，采用蒙特卡洛法模拟生成岩体裂隙网络是最合适不过的。蒙特卡洛模拟(或称蒙特卡洛法)是一种具有独特风格的数值计算方法，可求解具有随机性的不确定性问题。利用蒙特卡洛法求解问题时，首先要建立一个概率模型，把需要求解的问题同概率模型结合起来，然后通过随机抽样试验得到某些所求问题解的概率分析，这就是蒙特卡洛法的基本思想。裂隙网络结构模型的蒙特卡洛法模拟就是根据现场裂隙的统计参数及规律，应用蒙特卡洛法产生裂隙参数的随机抽样，并通过计算机图形功能，实现裂隙结构的再现[4]。2岩体裂隙网络注浆渗流规律2.1岩体裂隙网络注浆对于注浆浆液这样有较大粘度的液体，它只能在岩体裂隙中流动[2、5]。对于裂隙发育的岩体可采用等效连续介质模型来模拟它在岩体中的流动，但对于裂隙不太发育的岩体，其单个裂隙的几何参数及位置将对浆液流动过程产生重要影响，若应用连续介质模型，可能会造成较大的误差，因此有必要建立岩体裂隙网络注浆渗流模型。貌岩体载裂隙网络乓是指岩体效内不同成烛因、不同锯力学性质准、不同规熟模和不同殖方向的裂扎隙个体在东空间上相证互交叉构竞成的网络找状系统，绪称为裂隙心网络系统淡。裂隙网抱络系统因愈受个体裂讨隙非均质燃特性的影谋响，其整炸体性质可女表现为均狸质性、非模均质性、众各向异性英或各向同度性等多种肉形式，从格而也使得拌裂隙网络震岩体的性兴质更趋于区复杂输[5]外。辟诵2.2胆针裂隙岩体莫注浆渗流理控制方程田预裂隙网络梯渗流模型爬是根据裂性隙交叉的拣几何特征骆，把裂隙笔交叉点作田为节点，回节点与节尿点之间的猴裂隙作为镇线单元，蓬并根据各覆线单元流余向共同节沙点的流量检等于眉零罗(绘稳定吩流害)袄或等于贮筋存量的变记化仆(延非稳定灿流林)朴，建立裂铜隙岩体网违络的渗流奇方程，然镰后再结合借初始条件趣和边界条湿件就构成顷了裂隙网率络渗流模关型蛇(锅见瞎图掩1).图1应用蒙特卡洛模拟生成的裂隙网络根据各线单元流向共同节点的流量等于零(稳定流)或等于贮量的变化(非稳定流)，有虽(败1)证式中蕉：凤H卫fi焰为骑i协节点上的粒压力；鸦,S叛i摆为裂隙伙以崇i促为中心的淹表征体积狱单元的弹滚性贮存系族数忙，词w椅j锣为会i懒点的垂直缎入渗量春，检b盘j虑、谅l别j膨为裂隙段治的宽度和贪长度肤，有j舱为连理接误i涝的各裂隙池段艇；因N盈′社为特征单灰元召i要点的线单台元数。沃考虑到注绣浆过程中斑无垂直补饱给，且注键浆浆液具梅有非牛顿识流体特性炮，大多属窝于宾汉姆导体，有政q=悄b柄=索γ索b扮3疑/1焰2唤η瘦J破+塘τ戏3脚0巩/串3屑η毁b胁γ加2葬J智2厚-微τ毛0返b/胁4奉η脂(寿2)结合式(1)有油(骄)漫i歼+Q无i译=-d呈i堂dH她fi灰/dt(室i=1,跪2少,廊…叔N)套(阁3)式中：q为裂隙单元单宽流量；为流速；η为流体动力粘度；τ0为流体的剪切强度；βj=γb3/12η+τ30/3ηbγ2J3-τ0b/4ηJ;Jj为i点表征单元第j个裂隙的渗透梯度。肌则爸式药(3龙)粪即为裂隙喝岩体注浆五渗流控制种方程振。泄烘2.3昂间非牛顿体复非稳定渗辨流场分析甚及注浆参咸数的确定恼寨根据上述抚的结论，贫作者自己繁编制了程金序，对裂亿隙岩体的立渗流厨行盖了分析，插并比较了环牛顿流体锣和非牛顿欢流体渗流朋过程的差组异。计算未选取模型用如险图更2悟所示。计系算中选取躲粘腔度喝η缓=0.0铃34Pa敲·怠s衣，注入点混压头遣为镰5皆m凉，渗出点弦压头旨为架0堡m奉，流体为浸牛顿流体挖，服从达厉西渗流定蔑律。第一倍种方案，满以涌1兴9绳，巡2恒0历点作为注版入点，边融界榜点兰1僻，召2塔，羽3改，牛4柄，各5流，忽1拒0恰，狐1屿4脊，恩2圾3算，进2逝8征，摸3漂2盏，凤3璃7额，义3旺8育，岔3驰9巾，切4损0稍，优4赛1来作为渗出概点，则计天算所得的草结果见超表绑1残.累第二种方外案馆以坟2触1始点作为注部入点，注齐入点压头赚为夸5津m赚，以边界稳点尖1宣，滨2蚁，舱3刷，横4继，吵5缸，错1蒜0段，除1振4胀，俭1饶9鱼，楚2种3那，草2睛8香，凝3脾2坟，愁3乱7帝，胡3谁8流，香3短9吼，帝4膝0伏，肃4镇1誉为渗出点退，渗出点恩压头银为睛0岗m榆，其它条示件同方次案烫1覆，则计算套所得结果获见席表非2丢.于从辱表真1供、疾2肉可以看出毛，裂隙岩哪体的渗透起压力分布牧较符合实铺际，也验终证了程序带的正确性球。图2裂隙岩体渗流场分析计算模型为了使上述程序适合注浆的要求，考虑非牛顿流体渗流过程影响，并假设当节点渗流压头H减去初始压头H0小于某一级限值时(如1.0E-3)，令该裂隙单元的渗透系数为1×10-3K0，饱和度S=0.01S0，则计算得t=200s、t=2000s及t=10000s时，两种方案的渗透范围见图3、图4(注浆初始条件为注浆压力P=5MPa，浆液粘度为0.034Pa·S，浆液的剪切强度为14Pa，静水压力P=0MPa).表1第一种方案各节点渗透压力的计算结果普点号锋T=10莫s喇T=25犯0s晶T=25厅00s肃T=10雁000s绩6怎0.00得1199午0.02剪9415样0.25挂1782礼0.72继5268万7诵0.00帅079倡0.01费9615辱0.17面1126到0.57辞7116答8我0.00远079稀0.01引9609森0.16啦7488躬0.47勇6826布10餐0.00攻0006妙0.00铲1822镇0.13坟9575容1.13苍0359偶12鬼0.00阴0002楚0.00天0709股0.05局4626应0.47况6291包13靠0.00疗0001盆0.00矿0354桑0.02境7285莲0.23燃5722行15撇0.00雀8393墨0.02棍5865筋1.73虽5362研4.31怨6758百16搁0.00穷3997夏0.09拨8041喘0.83狗3013掏2.24龄7332隙17紫0霉0.00妻0008测0.00谊5672掉0.16限7484亩18猫0.00案0799予0.01累9608拘0.16贝6232赏0.44唐1165叛21端0.00惯0003夫0.00来1012到0.77麦906钉0.66愉9026鞠22煮0.00食0001匪0.00职0202准0.01宣5791普0.15芬5954守24拒0.00杏8393迫0.20互5865系1.73易5362则4.31羽6758植25厉0.00宿3997甚0.09私8041景0.83探3013风2.24碑7332旗26垫0桃0.00猾0008孕0.00躁5671诵0.16宗7484磁27配0.00撇0799守0.19甩608渣0.16右6232页0.44驰1165泪29香0.00荷0006恐0.00凭1822惩0.13躺9575顽1.13订0359叫30象0.00充0002兄0.00尺0709辆0.05腥4626雪0.47怎6291棋31唉0.00丈0001犯0.00豆0354善0.02债7285购0.23型5722积33烈0.00认1199歼0.02堵9415武0.25乌1782折0.72应5260版34典0.00通0799丈0.01咱9609艰0.17炸1126杨0.57友7710惩35馋0.00楚0799变0.01票9609供0.16票788她0.47乌6826烂36哈0.00朵1199袄0.02跪9410监0.24邪8145蠢0.62麦4379表2第2种方案各节点渗透压力的计算结果餐点号嫩T=10浅s清T=25预0s陶T=25铸00s筝T=10拨000s枣6三0.00尿1199销0.02轧9411斧0.24去9402逝0.66亿0187恰7容0.00蔽0799驱0.01韵9613骗0.16忙9999必0.54棍7167廊8过0.00俩0799辞0.01均9613烂0.16喊9999徒0.54柄7167牢9扛0.00劣1199艺0.02开9411键0.24打9402惨0.66匹0187她10购0.00南0003重0.00怪0860耕0.06洲6139穷0.55巴8049析12册0.00归0004馋0.00谋1215梳0.09蝶3371曾0.78演1495掠13宗0.00老0003扁0.00观0860拾0.06软6139感0.55代8043药15愈0.00亮0799么0.01桌9613珍0.16况9999取0.54烛7161添16士0.00抽3997润0.09逐8040律0.83猾2385欣2.22访9879迷17规0.00浓3997拉0.09份8040李0.83叫2385嫁2.22阵9879杯18碧0.00籍0799慰0.01已9613恳0.16炉9999宣0.54议7113炊20巧0.00率0004拔0.00储1215翁0.19冰3311俱0.78震1495羡22轻0.00斥0004副0.00唇1215薯0.09齿3305除0.78歌0852垦24农0.00良0799帜0.01赔9613委0.16筝9999浙0.54主7161询25到0.00脚3997嗽0.09虑8040主0.08闷3238误5纹2.22胡9831距26迈0.00抛3997供0.09测8040炎0.83残2260挎2.22头6297混27柔0.00尿0799文0.01介9613托0.16肆9873眠0.56轮4362筋6佩29挪0.00吹0003叛0.00赤0860花0.66戒139材0.55岔8043伞30努0.00愿0004塑0.00桌1215运0.09悦3305沿0.78直0852颈31枪0.00惩0003崭0.00镇0860国0.06鲜2266献0.52肯7068掩33淘0.00诊1199凑0.02蛙9411泉0.24端9402劝0.66且0187但34秘0.00才0799吓0.01垃9613杂0.16阵9999疤0.54腐7113挂35宴0.00常0799裕0.01肤9613甜0.16疮9878总0.54忆3626低36恰0.00定1199蓄0.02度9411妻0.16名6855薄0.45扁7173由图3、4可以看出，第一种方案t=200s时该浆液的渗透范围约为0.5m，t=2000s时约为2m，t=10000s时约为4.5m，第二方案当t=200s时，该浆液的渗透范围约为1.0m，t=2000s时约为3m，t=10000s约为5m.娘图贯3晴注浆条件取下第一种横方案计算监结果集(甩粗线条表侍示已注入兴浆委液贴)预图叨4花注浆条件南下第二种识方案计算妇结果烤(歌粗线条表泳示已注入葛浆厨液毕)若某注浆工程要求渗透范围1.5m，注浆压力为5.0MPa，则对第一种方案需注浆时间1200s，注浆量为60t，对第二种方案需注浆时间为800s，注浆量为70t.阁3骗壁裂隙网络纺渗流与应圈力耦合模从型及注浆瞎极限压力皱的确定夏3.1甲弹裂隙网络帅注浆渗流史及应力耦倚合模型研笑究蛛由于浆液具在裂隙网快络中流动钢，不可避问免有应力盘参与，有夫必要考虑嫩岩体应力嘉环境的影轨响。实际舍上浆液的济入渗过程厕是和岩体码应力场密征切相关的但，一方面扫浆液的入齿渗势必扰盐动岩体的普原有应力江场，另一迷方面，变可化的应力哭场会引起喝裂隙的张梅开、闭合悬甚至扩展钩，改变浆止液的入渗蔽路径和入期渗量，因妹此浆液在扫渗流过程晚中是和应盘力耦合的竿。最为重菊要的是，腔当注浆压炮力过大时拥，有可能遮引起裂隙萌的扩展和污注浆垫层因的破坏，协导致注浆搏过程的失报败，因此津确定应力旦耦合条件边下浆液的剧渗流过程塌及注浆极独限压力是兽十分有价拆值的。驻根据袭作者已建刘立的单裂惨隙渗流与半应力耦合待模型害[5]占，可建立逆裂隙网络勾渗流与应炮力耦合模焰型，有来(河4)垦式中：雷A取q告为节点流范量集成矩群阵伴;腥Q遮为各节点遮入渗量的呼集成矩坝阵率;b也0编为初始张扫开度糟;u密1政为法向压午缩位移尤;u帐2详为剪胀位医移摊;k硬n大、薪k酿s封为初始法吼向和剪切双刚度摸;k咳*筛s狡、厦k刘*垂s角为耦合作钢用后的法扰向和剪切起刚度领;F符j驴为体力分纽量贸;激σ残ij们为应力分寸量座;d凶m逗为裂隙剪罗胀角，其彼它参量同纠前。标在实处际计算过跃程中，要区注意处理须渗透压力拣的影响，虚本文中把座渗透压力渐作为面力遇处理，认宴为每一裂宰隙单元内宇渗透压力秧呈线性分道布，并应巷用应力等闯效原理，拔把其处理妖成等效结思点力。综标上所述，姜裂隙网络胞注浆渗流久与应力耦误合模型真涉实地描述惨了浆液和哲岩体相互寻作用的过宁程。亏3.2盟纱算例障根据上面吐所提出的冬理论模型浑，作者编丑制了有限讲元程序，捕以图攀5汽作为计算耕模型，计飘算出考虑奋应力耦合坚条件下的洲各点注浆竟渗流压力专的分布及韵岩体应力拐场、位移遥场的分布萌，这里假循设模型外路部受有均剃布压沟力舒P=3M叫P魂a乘，则计算德结果见钳图何6秩、窑图捏7.填由图世6泻可以看出张，考虑应疮力与渗流同耦合后，终裂隙网络鄙各结点的盈渗透压力呼发生较大惯变化，并弄且在应力袍与渗流的打耦合作用偿下导致了平渗透压力筑分布的非距对称性。笔由爱图错7颈可以看出扯，在先有胖应力作用慨条件下，恐考虑应力枪和渗流耦工合后，局碎部应力发裙生应力集赚中，裂隙晨剪切位移孩和法向位嫁移都增大哨。膨图挎5尖裂隙注浆断渗流和应施力耦合计容算模型苗图绝6掠裂隙岩体把渗流场的鸭分布候图酸7守裂隙岩体腾应力场分厦布裙(钻t=10扑00s)招3.3垂稳裂隙扩展恼及注浆极累限压力拴在迎3.包1娃节中已交姥待过注浆打压力不易迈过筹高窑,丧对于裂隙牵网络岩体膨来说也是唇这样，注税浆压力既铲不要超过过裂隙的断幕裂韧度，瘦使裂隙继装续扩展，谱也不要超钱过注浆垫痕层的强度钥，使注浆靠垫层破坏宽，导致注拆浆的失败脂。摔①著裂隙网络睛系统极限躲注浆压力傅。对于连狠通裂隙岩劈体网络来肺说，岩体守被剖分成灶各个块体太，也就无家所谓裂隙仇的继续扩慰展；而对拖于非连通梢裂隙岩体宾网络，可沿先在裂隙茂网络上求表出各点渗范透压力的肺分布，再泪校核各个阴裂隙尖端秀是否会继清续扩展，凤以此来判理定极限注羡浆压力砌。贫②获由注浆垫址层的稳定训性分析来司确定极限驰注浆压力某。