基于COMSOL的注漿滲透擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值研究

黃河飛

摘 要：該文基于COMSOL軟件模擬了注漿后漿液在單一光滑平板裂隙中滲透擴(kuò)散現(xiàn)象，研究了水灰比、注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散滲透的影響規(guī)律。結(jié)果表明：水灰比在1.5：1左右漿液性能優(yōu)越；滲透壓力隨漿液擴(kuò)散有效距離增加而降低。

關(guān)鍵詞：COMSOL；漿液滲透；水灰比、裂隙張開(kāi)度；注漿壓力

中圖分類(lèi)號(hào)：TU472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（b）-0250-01

1 模擬軟件介紹

COMSOL Multiphysics以有限元為基礎(chǔ)，通過(guò)求解偏微分方程或偏微分方程組來(lái)實(shí)現(xiàn)單場(chǎng)或多場(chǎng)物理現(xiàn)象的仿真模擬。在彌散、流體動(dòng)力學(xué)、多孔介質(zhì)、傳動(dòng)現(xiàn)象等幾乎全部領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，計(jì)算性能高效、多場(chǎng)雙向直接耦合分析能力突出，且仿真結(jié)果高度精確。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 模型與網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型采用100cm×100cm×4mm，注漿孔直徑為10mm，布置在模型中心，采用三角形網(wǎng)格，注漿孔邊緣網(wǎng)格自動(dòng)加密，如圖1所示。

2.2 模擬參數(shù)選擇

研究表明，水灰比、裂隙張開(kāi)度和注漿壓力分別代表了漿液屬性、受注介質(zhì)巖體裂隙幾何特征以及注漿外界參數(shù)。該文用COMSOL軟件分別對(duì)這三種影響因素設(shè)置不同參數(shù)研究漿液擴(kuò)散的規(guī)律。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 水灰比對(duì)漿液擴(kuò)散滲透的影響

注漿漿液擴(kuò)散滲透與三種因素有關(guān)，漿材自身屬性決定了漿液最基本的擴(kuò)散方式，用Comsol軟件模擬水灰比對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律影響時(shí)，模型注漿壓力均取為10Pa，裂隙張開(kāi)度取為1.5mm，水灰比分別為0.8：1、1：1、1.5：1、2：1.

漿液在無(wú)動(dòng)水條件下擴(kuò)散，每間隔10s進(jìn)行一次擴(kuò)散形態(tài)以及漿液擴(kuò)散距離處理，無(wú)動(dòng)水條件下且注漿壓力和裂隙張開(kāi)度均保持不變，漿液擴(kuò)散范圍主要取決于漿液自身屬性，在此即表現(xiàn)為水灰比的影響。四組不同漿液水灰比對(duì)應(yīng)漿液有效擴(kuò)散范圍如圖2所示。

從圖2可看到漿液擴(kuò)散模擬圖形呈圓形，有效擴(kuò)散范圍在注漿孔位置軸對(duì)稱(chēng)分布；漿液水灰比從0.8：1→1：1→1.5：1逐次增加時(shí)，同一注漿時(shí)刻漿液擴(kuò)散距離隨之增加，且100s后水灰比為1.5：1漿液擴(kuò)散距離為34.2cm，較0.8：1的8.1cm和1：1的14.5cm分別增加了近3.25、1.36倍，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，漿液滲透擴(kuò)散距離隨水灰比增加而顯著增加。但當(dāng)水灰比為2：1時(shí)，擴(kuò)散有效距離卻比水灰比為1.5：1時(shí)小的多，驗(yàn)證了漿液水灰比在1.5：1左右時(shí)性能較優(yōu)越。

3.2 注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散滲透影響研究

注漿參數(shù)很大程度上決定了注漿施工的成敗，參數(shù)選擇不合理，不僅不能滿(mǎn)足注漿加固圍巖或堵水封閉的效果，還會(huì)造成漿材的大量浪費(fèi)。注漿壓力在注漿參數(shù)中占據(jù)重要地位，模擬注漿壓力改變對(duì)漿液擴(kuò)散滲透的影響對(duì)其參數(shù)選擇具有重要的指導(dǎo)意義。因模擬選用模型與建立實(shí)物匹配、均較小，注漿壓力選擇也較小，但其對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響也能正確反映實(shí)際注漿施工中大注漿壓力對(duì)工程的影響。模型中選擇10Pa、100Pa、200Pa和500Pa，間隔10s對(duì)漿液擴(kuò)散有效距離進(jìn)行處理。注漿壓力增加時(shí)，漿液有效擴(kuò)散距離也隨之增加，但改變甚微，即裂隙注漿滲透擴(kuò)散有效距離對(duì)注漿壓力敏感度較小。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）一定范圍內(nèi)，同一時(shí)刻漿液擴(kuò)散距離隨水灰比增加而增加；模擬漿液最終擴(kuò)散距離，水灰比為1.5：1較0.8：1和1：1分別增加約3.25、1.36倍。當(dāng)水灰比為2：1時(shí)，最終擴(kuò)散距離比水灰比為1.5：1時(shí)小，說(shuō)明水灰比在1.5：1左右漿液性能優(yōu)越。

（2）滲透壓力隨漿液擴(kuò)散有效距離增加而降低，注漿孔附近遞減速率較大，當(dāng)漿液擴(kuò)散到一定程度時(shí)，滲透壓力減小趨于緩慢并且此時(shí)滲透壓力較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 苗興城，杜明芳，王廣國(guó).壓密注漿機(jī)理研究與效果檢驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000（5）：670-673.