基于Fluent的裂隙注漿數值模擬及試驗研究

吳　星,張　柳,郭　琦,張載松（.山東大學土建與水利學院　濟南　5006；.廣西桂林建筑設計研究院,廣西　桂林　54000）

基于Fluent的裂隙注漿數值模擬及試驗研究

吳星1,張柳1,郭琦1,張載松2
（1.山東大學土建與水利學院濟南250061；2.廣西桂林建筑設計研究院,廣西桂林541000）

摘要：介紹運用fluent成功的建立巖體裂隙注漿堵水模型，并通過山東大學研制的準三維裂隙注漿模型系統驗證裂隙注漿堵水模型的漿液擴散形態及靜壓分布。通過室內試驗得到在動水條件下注漿過程中漿液產生的注漿壓力隨漿液擴散的分布規律。

關鍵詞：Fluent；水泥漿液；注漿擴散形態；壓力分布規律；模型試驗；數值模擬

0　引言

注漿技術能夠達到改善巖土體的物理力學性質的目的[1]。雖然注漿已經經歷了飛速的發展，但是注漿理論仍遠遠落后于工程上的實踐，理論的完善與進展是相當緩慢的[2]，其中動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展，但同樣滯后。注漿數值模擬研究同樣落后于工程實踐。

本文采用室內試驗與FLUENT數值模擬相結合的研究方法[3]，用山東大學研制的準三維裂隙注漿模型系統得到在動水條件下注漿過程中漿液產生的注漿壓力隨漿液擴散的分布規律，同時驗證FLUENT裂隙注漿堵水模型的漿液擴散形態及靜壓分布.

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

數值模擬的目的是建立一個模擬在動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不同注漿速度的數值模擬

巖體裂隙注漿堵水模型取動水和漿液的兩相流，動水速度取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時的相液擴散形態表明：注漿速度為1.6m/s時與注漿速度為0.6m/s時擴散形態及變化完全一致，先在動水條件下呈近似橢圓型擴散，穩定后呈現U型擴散；注漿速度為1.6m/s時比注漿速度為0.6m/s時擴散范圍更廣，開度更大。

從壓力曲線可以得到以下規律：（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，到達出口處靜壓變為零。

2　裂隙注漿模型試驗

2.1 試驗裝置

研制的室內注漿模型考慮到模型試驗的條件與原型的相似性，模型試驗的結果與原型的相似性，所以要求研制的裝置必須滿足模型試驗的一般理論，即相似理論，試驗系統選用室內注漿模型試驗裝置，注漿模型試驗裝置共分為以下幾個部分：模型架，注漿動力系統，進水出水系統，錄像監測系統。其中注漿試驗模型架模擬的裂隙上層面是由一整塊高強度的鋼化玻璃組成，模型的框架是使用不銹鋼框架；裂隙下層面主要包括三個面，由上到下為找平層、填充層和承力層。表面找平層是預先埋設壓力、流速和溫度三種傳感器的環氧樹脂層。通過該系統采集的數據能夠實時記錄下流速和地下水壓力，并且記錄漿液擴散跡線形態。

2.2試驗初始條件

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

2.3數據記錄

本次試驗記錄數據分別為漿液擴散形態和靜壓分布。其中漿液擴散直接采用錄像記錄方式進行記錄。本實驗通過壓力傳感器對注漿過程中壓力分布進行記錄，從而能夠得到注漿過程的靜壓分布情況，本實驗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致的。

3　模擬結果與試驗結果對比及分析

3.1 擴散形態結果對比及分析

室內試驗注漿擴散形態：漿液進入穩定擴散狀態后，其擴散區域是穩定不變的，即漿液的穩定擴散形態都呈現標準的U形。

由裂隙注漿模型試驗可得到以下規律：（1）在試驗注漿剛開始進行的時候，注漿孔周圍漿液的流動的狀態是紊流的，而且漿液流速較快。隨著注漿量的增加，漿液的擴散范圍是逐漸變大，但是擴散范圍也是有一定極限的，即其擴散范圍到一定程度便不再增加了。（2）在充填擴散范圍與動水接觸面上，有一個過渡擴散區，該區域呈現紊流狀態，并且該區域的漿液是不斷的從紊流狀態向層流狀態轉化的，隨著注漿量的增加，這種轉換是不斷加快的。在過渡擴散區內，會出現漿液析水分層的現象。（3）最穩定的是最外層流場，水和漿液都屬于層流狀態。而且在試驗中，可以明顯的看到穩定的流線，漿液分層明顯，但是水和漿液不相互干擾，水的流場相對較穩定，漿液的流場也是相對穩定的。（4）漿液的擴散始終沒有將整個裂隙充滿。由比較可知，Fluent模型相液也分層，由里到外依次為充填擴散區，過渡擴散區和分層擴散區，且未完全充填整個裂隙。模型模擬結果與試驗結果基本一致。

3.2靜壓分布結果對比及分析

由裂隙注漿模型試驗可得到靜壓規律：（1）注漿孔處靜壓最大，隨著擴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。

模擬與試驗靜壓分布對比可知，試驗結果普遍比模擬結果偏大，推斷原因為：在實際的擴散過程中由于水泥顆粒的沉積作用，顆粒會不斷沉積，以致堵塞裂隙，阻止漿液的擴散；但是在數值模擬中在計算兩相流體運動時，水泥顆粒的沉積作用是沒有考慮進去的，沉積作用對漿液擴散的阻力是不存在的，所以試驗結果比計算結果偏大。模擬靜壓分布所得基本規律與試驗靜壓分布基本一致。

4　結論

本文利用Fluent建立巖體裂隙注漿堵水模型，并通過山東大學研制的準三維裂隙注漿模型系統驗證裂隙注漿堵水模型的漿液擴散形態及靜壓分布。通過室內試驗得到了裂隙注漿過程中的一系列基本規律，如漿液擴散形態規律和漿液靜壓分布規律，對裂隙注漿技術做了一些有意義的探索。

參考文獻：

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