基于孔隙—裂隙渗透效应的注浆扩散分析方法

发布时间：2017-07-31 01:25

  本文关键词：基于孔隙—裂隙渗透效应的注浆扩散分析方法

  更多相关文章： 孔隙-裂隙介质 注浆扩散模型 扩散规律 正交试验 注浆设计

【摘要】：地下工程涌水灾害治理问题一直是困扰地下工程安全快速施工的主要难题之一,而地下工程岩体具有结构多样、各向异性强烈、水文地质条件差异性大等特点,对于注浆治理提出了严峻挑战。其中,地下工程中广泛存在裂隙切割较为严重且围岩介质本身透水性较强的围岩体(如裂隙切割强烈的高孔隙率砂岩地层),围岩不仅作为主要储水介质,也作为导水通道与裂隙一起构成地下水流动通道,该种岩体在注浆理论研究中可抽象为孔隙-裂隙介质,该孔隙-裂隙介质具有如下特点：①裂隙网络切割岩体,裂隙导水能力较强；②孔隙介质孔隙率高、渗透性强,与裂隙相比渗透性能处于同一数量级；③流体在该介质中流动时,裂隙流动与孔隙流动在裂隙边界处发生强烈的质量交换。本文基于裂隙流动与孔隙流动分析方法,研究了牛顿流体在孔隙-裂隙介质中的扩散规律,系统分析了不同参数对浆液在孔隙-裂隙介质中扩散规律的影响,取得了一系列成果。并基于研究成果,从注浆堵水和加固地层两个角度出发,对实际注浆设计提出了改进建议。(1)针对裂隙切割较为严重且围岩介质本身透水性较强的围岩体的水力学特征,建立了孔隙-裂隙介质注浆扩散模型,选取单一裂隙+孔隙介质为研究对象,将浆液扩散过程简化为水平辐射圆,浆液在裂隙扩散过程中伴随浆液在裂隙通道侧壁的渗透过程,分别建立裂隙注浆扩散过程与渗透注浆扩散过程的运动控制方程,利用浆液在基岩孔隙介质中的渗透量指标实现两个扩散过程的双向耦合,建立相应的数学物理模型。(2)提出了基于试错法的孔隙-裂隙介质注浆扩散分析思想,建立了孔隙-裂隙介质注浆扩散的迭代计算方法,实现了孔隙-裂隙介质注浆扩散过程的有效描述,可求解任意注浆时刻基岩孔隙中的浆液渗透量,为孔隙-裂隙介质注浆过程分析提供一种新思路。并通过与有限元计算软件COMSOL对孔隙-裂隙介质注浆扩散过程的计算结果进行对标,验证了所提出的计算方法的合理性。(3)运用所提出的理论模型和计算方法进行了不同工况的注浆过程模拟,并选取合理的边界条件和初始条件,根据实际工况选取了注浆参数,得出了浆液在孔隙-裂隙介质和单一平板裂隙中压力分布规律和扩散形态。(4)分别针对各影响因素进行分析,通过对比分析得出了一系列浆液扩散规律,从注浆堵水范围和加固范围两个角度出发,分析了孔隙-裂隙介质注浆模型与传统裂隙注浆模型的不同之处；并通过各参数的对比分析说明了孔隙-裂隙介质模型对注浆工作的影响。(5)基于正交试验思想,选取了5因素4水平的正交试验,得出了对浆液在基岩孔隙介质中渗透扩散量占总注浆量百分比影响因素大小：裂隙开度渗透率孔隙率注浆时间注浆速率。希望对注浆设计有所指导。(6)通过孔隙-裂隙介质注浆扩散现象验证试验,分析试验现象,并结合电镜扫描结果得出以下结论：在孔隙-裂隙介质注浆过程中,浆液的扩散运移过程比传统的裂隙注浆或渗透注浆要复杂的多,裂隙通道具有高渗透率,而基岩孔隙介质渗透率比裂隙通道的渗透率低几个数量级,浆液从裂隙通道进入基岩孔隙介质从而产生窜流,该过程导致了浆液在基岩孔隙介质中的渗透扩散,而不是传统的裂隙注浆中仅仅考虑浆液在裂隙系统中的扩散。
【关键词】：孔隙-裂隙介质 注浆扩散模型 扩散规律 正交试验 注浆设计
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU753
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 研究背景15
• 1.2 注浆技术现状15-18
• 1.2.1 国外注浆技术现状16
• 1.2.2 国内注浆技术现状16
• 1.2.3 现有注浆工法16-18
• 1.3 注浆理论研究现状18-23
• 1.3.1 渗透注浆理论18-19
• 1.3.2 压密注浆理论19
• 1.3.3 劈裂注浆理论19-21
• 1.3.4 动水注浆理论21
• 1.3.5 裂隙岩体注浆理论21-23
• 1.4 裂隙-孔隙介质渗流研究现状23-24
• 1.5 注浆模型试验与数值模拟研究现状24-25
• 1.5.1 注浆模型试验研究现状24
• 1.5.2 注浆数值模拟研究现状24-25
• 1.6 主要研究内容、方法及技术路线25-27
• 1.6.1 主要研究内容25-26
• 1.6.2 技术路线26-27
• 第2章 孔隙-裂隙介质注浆扩散分析模型27-41
• 2.1 孔隙-裂隙介质注浆扩散过程概述27-28
• 2.2 孔隙-裂隙介质注浆扩散理论模型28-35
• 2.2.1 注浆物理模型构建28-30
• 2.2.2 模型假设条件30
• 2.2.3 浆液本构方程30-31
• 2.2.4 裂隙通道浆液扩散运动控制方程31-33
• 2.2.5 孔隙介质浆液扩散运动控制方程33-34
• 2.2.6 裂隙流动与孔隙流动的耦合分析34-35
• 2.3 基于试错法的孔隙-裂隙介质注浆扩散计算方法35-39
• 2.3.1 △t时刻浆液渗透量确定方法35-38
• 2.3.2 等效压力方法38-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第3章 浆液在孔隙-裂隙介质中扩散规律及影响因素分析41-66
• 3.1 基于试错法的孔隙-裂隙介质计算方法合理性检验41-49
• 3.1.1 基于试错法的孔隙-裂隙介质注浆扩散过程计算结果41-43
• 3.1.2 基于COMSOL软件的浆液扩散过程有限元计算结果43-48
• 3.1.3 两种计算结果对比分析48-49
• 3.2 孔隙-裂隙介质浆液扩散规律分析49-59
• 3.2.1 裂隙开度b49-51
• 3.2.2 注浆速率q51-53
• 3.2.3 基岩孔隙介质的渗透率k53-55
• 3.2.4 基岩孔隙介质的孔隙率n55-57
• 3.2.5 浆液粘度u57-59
• 3.3 与传统裂隙注浆扩散计算结果对比59-64
• 3.3.1 裂隙开度b59-61
• 3.3.2 注浆速率q61-63
• 3.3.3 浆液粘度u63-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第4章 孔隙-裂隙介质浆液扩散正交试验66-76
• 4.1 正交试验法概述66-67
• 4.1.1 正交试验法的产生及发展66
• 4.1.2 正交试验法特点66-67
• 4.1.3 正交试验法方法步骤67
• 4.2 孔隙-裂隙介质注浆扩散正交试验67-70
• 4.3 试验结果分析70-75
• 4.3.1 同一因素不同水平影响分析70-71
• 4.3.2 极差分析71-73
• 4.3.3 影响因素趋势分析73-75
• 4.4 本章小结75-76
• 第5章 孔隙-裂隙介质注浆现象验证试验76-84
• 5.1 孔隙-裂隙介质注浆扩散试验76-79
• 5.1.1 孔隙-裂隙介质注浆试验装置76-77
• 5.1.2 注浆扩散试验设计77-79
• 5.2 孔隙-裂隙介质注浆扩散结果分析79-82
• 5.2.1 注浆压力分析79
• 5.2.2 浆液扩散形态79-80
• 5.2.3 注浆岩样电镜扫描分析80-82
• 5.4 研究成果对注浆设计的指导意义82
• 5.5 本章小结82-84
• 第6章 结论及展望84-86
• 6.1 结论84-85
• 6.2 展望85-86
• 参考文献86-91
• 致谢91-92
• 硕士期间科研成果92-93
• 学位论文评阅及答辩情况表93

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本文编号：596901