基于Fluent的裂隙注漿數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

吳　星,張　柳,郭　琦,張載松（.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院　濟(jì)南　5006；.廣西桂林建筑設(shè)計(jì)研究院,廣西　桂林　54000）

基于Fluent的裂隙注漿數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

吳星1,張柳1,郭琦1,張載松2
（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院濟(jì)南250061；2.廣西桂林建筑設(shè)計(jì)研究院,廣西桂林541000）

摘要：介紹運(yùn)用fluent成功的建立巖體裂隙注漿堵水模型，并通過山東大學(xué)研制的準(zhǔn)三維裂隙注漿模型系統(tǒng)驗(yàn)證裂隙注漿堵水模型的漿液擴(kuò)散形態(tài)及靜壓分布。通過室內(nèi)試驗(yàn)得到在動(dòng)水條件下注漿過程中漿液產(chǎn)生的注漿壓力隨漿液擴(kuò)散的分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：Fluent；水泥漿液；注漿擴(kuò)散形態(tài)；壓力分布規(guī)律；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬

0　引言

注漿技術(shù)能夠達(dá)到改善巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的目的[1]。雖然注漿已經(jīng)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，但是注漿理論仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程上的實(shí)踐，理論的完善與進(jìn)展是相當(dāng)緩慢的[2]，其中動(dòng)水及靜水條件下的裂隙突涌水注漿理論雖然取得了初步發(fā)展，但同樣滯后。注漿數(shù)值模擬研究同樣落后于工程實(shí)踐。

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)與FLUENT數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法[3]，用山東大學(xué)研制的準(zhǔn)三維裂隙注漿模型系統(tǒng)得到在動(dòng)水條件下注漿過程中漿液產(chǎn)生的注漿壓力隨漿液擴(kuò)散的分布規(guī)律，同時(shí)驗(yàn)證FLUENT裂隙注漿堵水模型的漿液擴(kuò)散形態(tài)及靜壓分布.

1　巖體裂隙注漿堵水模型

1.1建立巖體裂隙注漿堵水模型

數(shù)值模擬的目的是建立一個(gè)模擬在動(dòng)水條件下裂隙注漿的模型。通過Fluent前處理軟件Gambit建立三維注漿幾何模型及網(wǎng)格劃分，其中長方體是模擬裂隙，寬度為2m，長度為4m，厚度為0.02m。圓柱體是模擬注漿管，長度為1m，半徑為0.025m。

1.2不同注漿速度的數(shù)值模擬

巖體裂隙注漿堵水模型取動(dòng)水和漿液的兩相流，動(dòng)水速度取0.6m/s,漿液速度分別取0.6m/s和1.6m/s，分別取注漿35s和注漿100s時(shí)的相液擴(kuò)散形態(tài)表明：注漿速度為1.6m/s時(shí)與注漿速度為0.6m/s時(shí)擴(kuò)散形態(tài)及變化完全一致，先在動(dòng)水條件下呈近似橢圓型擴(kuò)散，穩(wěn)定后呈現(xiàn)U型擴(kuò)散；注漿速度為1.6m/s時(shí)比注漿速度為0.6m/s時(shí)擴(kuò)散范圍更廣，開度更大。

從壓力曲線可以得到以下規(guī)律：（1）入水口處到注漿管處水的靜壓基本保持不變；（2）注漿管處的漿液靜壓變化很大，到注漿孔處，漿液的靜壓與水的靜壓基本相同。（3）從注漿管到出口，靜壓呈衰減變化，到達(dá)出口處靜壓變?yōu)榱恪?/p>

2　裂隙注漿模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

研制的室內(nèi)注漿模型考慮到模型試驗(yàn)的條件與原型的相似性，模型試驗(yàn)的結(jié)果與原型的相似性，所以要求研制的裝置必須滿足模型試驗(yàn)的一般理論，即相似理論，試驗(yàn)系統(tǒng)選用室內(nèi)注漿模型試驗(yàn)裝置，注漿模型試驗(yàn)裝置共分為以下幾個(gè)部分：模型架，注漿動(dòng)力系統(tǒng)，進(jìn)水出水系統(tǒng)，錄像監(jiān)測系統(tǒng)。其中注漿試驗(yàn)?zāi)Ｐ图苣M的裂隙上層面是由一整塊高強(qiáng)度的鋼化玻璃組成，模型的框架是使用不銹鋼框架；裂隙下層面主要包括三個(gè)面，由上到下為找平層、填充層和承力層。表面找平層是預(yù)先埋設(shè)壓力、流速和溫度三種傳感器的環(huán)氧樹脂層。通過該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)記錄下流速和地下水壓力，并且記錄漿液擴(kuò)散跡線形態(tài)。

2.2試驗(yàn)初始條件

本動(dòng)水試驗(yàn)采用水灰比（W/C）為1:1.5的水泥漿液，用攪拌機(jī)攪拌15min后通過注漿系統(tǒng)注入，采用動(dòng)水初始流速為0.6m/s，注漿孔的半徑為0.025m，持續(xù)注漿2min，漿液法向流速取0.6m/s、1.6m/s兩種工況。

2.3數(shù)據(jù)記錄

本次試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)分別為漿液擴(kuò)散形態(tài)和靜壓分布。其中漿液擴(kuò)散直接采用錄像記錄方式進(jìn)行記錄。本實(shí)驗(yàn)通過壓力傳感器對(duì)注漿過程中壓力分布進(jìn)行記錄，從而能夠得到注漿過程的靜壓分布情況，本實(shí)驗(yàn)得到的靜壓分布曲線不是完全平滑的，主要是由于傳感器分布密度小所導(dǎo)致的。

3　模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及分析

3.1 擴(kuò)散形態(tài)結(jié)果對(duì)比及分析

室內(nèi)試驗(yàn)注漿擴(kuò)散形態(tài)：漿液進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)散狀態(tài)后，其擴(kuò)散區(qū)域是穩(wěn)定不變的，即漿液的穩(wěn)定擴(kuò)散形態(tài)都呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的U形。

由裂隙注漿模型試驗(yàn)可得到以下規(guī)律：（1）在試驗(yàn)注漿剛開始進(jìn)行的時(shí)候，注漿孔周圍漿液的流動(dòng)的狀態(tài)是紊流的，而且漿液流速較快。隨著注漿量的增加，漿液的擴(kuò)散范圍是逐漸變大，但是擴(kuò)散范圍也是有一定極限的，即其擴(kuò)散范圍到一定程度便不再增加了。（2）在充填擴(kuò)散范圍與動(dòng)水接觸面上，有一個(gè)過渡擴(kuò)散區(qū)，該區(qū)域呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，并且該區(qū)域的漿液是不斷的從紊流狀態(tài)向?qū)恿鳡顟B(tài)轉(zhuǎn)化的，隨著注漿量的增加，這種轉(zhuǎn)換是不斷加快的。在過渡擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)漿液析水分層的現(xiàn)象。（3）最穩(wěn)定的是最外層流場，水和漿液都屬于層流狀態(tài)。而且在試驗(yàn)中，可以明顯的看到穩(wěn)定的流線，漿液分層明顯，但是水和漿液不相互干擾，水的流場相對(duì)較穩(wěn)定，漿液的流場也是相對(duì)穩(wěn)定的。（4）漿液的擴(kuò)散始終沒有將整個(gè)裂隙充滿。由比較可知，F(xiàn)luent模型相液也分層，由里到外依次為充填擴(kuò)散區(qū)，過渡擴(kuò)散區(qū)和分層擴(kuò)散區(qū)，且未完全充填整個(gè)裂隙。模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3.2靜壓分布結(jié)果對(duì)比及分析

由裂隙注漿模型試驗(yàn)可得到靜壓規(guī)律：（1）注漿孔處靜壓最大，隨著擴(kuò)散距離的增大靜壓一直衰減，直到衰減為零。（2）靜壓衰減在注漿孔處最顯著，隨著擴(kuò)散距離的增大，衰減速率在減緩。（3）注漿速度增大，靜壓分布也明顯增大。

模擬與試驗(yàn)靜壓分布對(duì)比可知，試驗(yàn)結(jié)果普遍比模擬結(jié)果偏大，推斷原因?yàn)椋涸趯?shí)際的擴(kuò)散過程中由于水泥顆粒的沉積作用，顆粒會(huì)不斷沉積，以致堵塞裂隙，阻止?jié){液的擴(kuò)散；但是在數(shù)值模擬中在計(jì)算兩相流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，水泥顆粒的沉積作用是沒有考慮進(jìn)去的，沉積作用對(duì)漿液擴(kuò)散的阻力是不存在的，所以試驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算結(jié)果偏大。模擬靜壓分布所得基本規(guī)律與試驗(yàn)靜壓分布基本一致。

4　結(jié)論

本文利用Fluent建立巖體裂隙注漿堵水模型，并通過山東大學(xué)研制的準(zhǔn)三維裂隙注漿模型系統(tǒng)驗(yàn)證裂隙注漿堵水模型的漿液擴(kuò)散形態(tài)及靜壓分布。通過室內(nèi)試驗(yàn)得到了裂隙注漿過程中的一系列基本規(guī)律，如漿液擴(kuò)散形態(tài)規(guī)律和漿液靜壓分布規(guī)律，對(duì)裂隙注漿技術(shù)做了一些有意義的探索。

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