裂隙巖體網(wǎng)絡注漿滲流紀律

裂隙巖體網(wǎng)絡注漿滲流規(guī)律)摘要：本文在裂隙結(jié)構(gòu)模擬的基礎上，建立了裂隙網(wǎng)絡非牛頓流體的滲流模型，并應用所建立的分析模型進行注漿滲透過程模擬，建立了確定注漿參數(shù)的一般方法。在此基礎上，本文還討論了裂隙巖體注漿過程中的滲流和應力耦合問題，分析了應力和滲流耦合對注漿過程的影響。關鍵詞：裂隙模擬；非牛頓流體；滲流；應力；注漿參數(shù)收稿日期：2000-03-09作者簡介：楊米加(1971-)，男，安徽和縣人，中國礦業(yè)大學博士，現(xiàn)為河海大學滲流室在站博士后，主要從事裂隙滲流方面的研究。天然巖體內(nèi)分布著大量的裂隙和孔隙。一般地，巖體中的孔隙盡寸較小但數(shù)量較多，而裂隙數(shù)量少但其滲透性好，因此在巖體滲流中對滲流起控制作用的主要是裂隙。特別是對于注漿工程，由于注漿漿液都為比較粘稠的懸浮液，在孔隙中幾乎是不可滲，因此我們可假定在巖體注漿中，漿液只在巖體裂隙網(wǎng)絡中滲流。1裂隙巖體網(wǎng)絡模型對巖體裂隙網(wǎng)絡模型的研究是從研究地下水活動規(guī)律開始的[1～3]。早期的研究一般認為巖體中的裂隙規(guī)則分布，或把巖體作為一連續(xù)體，把裂隙均勻到巖體的各個質(zhì)點上去作多孔介質(zhì)處理。而實際上，裂隙是在長期地質(zhì)歷史作用下形成的，而且由于地質(zhì)組成的不確定性以及多次地應力的作用，裂隙在巖體中的分布，既體現(xiàn)了一定的規(guī)律性又表現(xiàn)出一定的隨機性。為了形成即便于計算又反映裂隙賦存狀態(tài)和裂隙滲流規(guī)律的離散裂隙網(wǎng)絡模型，采用蒙特卡洛法模擬生成巖體裂隙網(wǎng)絡是最合適不過的。蒙特卡洛模擬(或稱蒙特卡洛法)是一種具有獨特風格的數(shù)值計算方法，可求解具有隨機性的不確定性問題。利用蒙特卡洛法求解問題時，首先要建立一個概率模型，把需要求解的問題同概率模型結(jié)合起來，然后通過隨機抽樣試驗得到某些所求問題解的概率分析，這就是蒙特卡洛法的基本思想。裂隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型的蒙特卡洛法模擬就是根據(jù)現(xiàn)場裂隙的統(tǒng)計參數(shù)及規(guī)律，應用蒙特卡洛法產(chǎn)生裂隙參數(shù)的隨機抽樣，并通過計算機圖形功能，實現(xiàn)裂隙結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)[4]。2巖體裂隙網(wǎng)絡注漿滲流規(guī)律2.1巖體裂隙網(wǎng)絡注漿對于注漿漿液這樣有較大粘度的液體，它只能在巖體裂隙中流動[2、5]。對于裂隙發(fā)育的巖體可采用等效連續(xù)介質(zhì)模型來模擬它在巖體中的流動，但對于裂隙不太發(fā)育的巖體，其單個裂隙的幾何參數(shù)及位置將對漿液流動過程產(chǎn)生重要影響，若應用連續(xù)介質(zhì)模型，可能會造成較大的誤差，因此有必要建立巖體裂隙網(wǎng)絡注漿滲流模型。登巖六體裂隙描網(wǎng)絡是稠指巖體籌內(nèi)不同傷成因、職不同力亮學性質(zhì)灣、不同曲規(guī)模和忠不同方仆向的裂永隙個體易在空間蛙上相互萌交叉構(gòu)梢成的網(wǎng)榜絡狀系仔統(tǒng)，稱伏為裂隙邁網(wǎng)絡系種統(tǒng)。裂都隙網(wǎng)絡犁系統(tǒng)因近受個體梳裂隙非公均質(zhì)特母性的影傍響，其疑整體性裕質(zhì)可表偵現(xiàn)為均挖質(zhì)性、參非均質(zhì)僻性、各慮向異性沾或各向臺同性等心多種形悉式，從勵而也使羞得裂隙跳網(wǎng)絡巖慚體的性保質(zhì)更趨掘于復雜腥[5]爬。政雞2.2拼掛裂隙巖亞體注漿暑滲流控嬸制方程吳我裂隙網(wǎng)僻絡滲流厘模型是混根據(jù)裂首隙交叉缺的幾何么特征，荒把裂隙劈交叉點撿作為節(jié)傾點，節(jié)慕點與節(jié)支點之間畏的裂隙電作為線年單元，植并根據(jù)蕉各線單蝶元流向以共同節(jié)閱點的流音量等于止零所(稍穩(wěn)定毀流駕)遲或等于印貯存量梳的變尸化泄(抽非穩(wěn)定賊流景)符，建立建裂隙巖畢體網(wǎng)絡皺的滲流且方程，須然后再采結(jié)合初爭始條件棵和邊界屆條件就迅構(gòu)成了苗裂隙網(wǎng)拘絡滲流鉛模憲型頁(塵見好圖旦1).圖1應用蒙特卡洛模擬生成的裂隙網(wǎng)絡根據(jù)各線單元流向共同節(jié)點的流量等于零(穩(wěn)定流)或等于貯量的變化(非穩(wěn)定流)，有指(新1)叨式中平：習H賭fi鏟為職i巾節(jié)點上果的壓力宰；腐,S取i迅為裂隙脹以謝i鋼為中心盞的表征犁體積單規(guī)元的彈猴性貯存換系數(shù)洪，晉w惡j攪為啦i廁點的垂番直入滲仿量尾，卷b返j世、歌l巧j典為裂隙懲段的寬沈度和長部度欲，持j廈為連沫接蓮i者的各裂槳隙段妥；昂N推′扣為特征指單旋元涂i懼點的線幣單元數(shù)乳。魔考慮到粘注漿過蒙程中無駱垂直補義給，且獻注漿漿蝴液具有早非牛頓柜流體特股性，大描多屬于地賓漢姆拔體，有炮q=居b征=貌γ早b草3找/1重2盆η謊J粱+腦τ百3喬0撕/著3直η蓋b銜γ繼2餅J英2偏-貌τ泡0秩b/技4愚η例(激2)結(jié)合式(1)有賽(卷)疲i捎+Q獸i詞=-d歇i阿dH平fi量/dt罵(i=朗1,2設,點…逢N)柴(憶3)式中：q為裂隙單元單寬流量；為流速；η為流體動力粘度；τ0為流體的剪切強度；βj=γb3/12η+τ30/3ηbγ2J3-τ0b/4ηJ;Jj為i點表征單元第j個裂隙的滲透梯度。點則績式家(3盾)村即為裂它隙巖體悅注漿滲采流控制脫方程喉。防攻2.3溜書非牛頓席體非穩(wěn)獸定滲流胡場分析嶼及注漿宅參數(shù)的塵確定瓶酷根據(jù)上役述的結(jié)紐論，作肌者自己零編制了脊程序，矛對裂隙余巖體的訂滲流廚址行了分往析，并傘比較了媽牛頓流扣體和非哥牛頓流尺體滲流鼠過程的異差異。蘭計算選敏取模型逃如澇圖豐2甚所示?？视嬎阒姓l選取粘典度霸η抱=0.倡034宇Pa·塘s降，注入稼點壓頭組為臭5捎m捧，滲出浪點壓頭葛為徹0閃m邊，流體問為牛頓條流體，勻服從達振西滲流詳定律。高第一種撲方案，平以構(gòu)1兇9捕，鉗2非0像點作為愁注入點瑞，邊界美點寶1斧，刮2眾，劑3涉，坑4揪，憲5志，擴1箱0活，嗎1汽4召，士2纏3莖，掠2諷8握，命3菠2裂，核3胖7烤，減3餐8強，檢3站9字，管4孩0貢，對4白1鉗作為滲竟出點，維則計算盡所得的也結(jié)果見績表樓1賺.嬌第二種折方案或以勢2廊1荷點作為香注入點移，注入雨點壓頭辣為桃5汪m卸，以邊伸界蝴點測1商，堅2稠，然3柏，晨4盾，蕩5攔，部1蔽0劉，嫁1矛4現(xiàn)，床1軋9滅，堤2賄3役，嶄2叨8荷，鴉3烘2膠，訂3冤7政，康3帝8蔑，誼3紋9茄，氣4演0蠢，勢4臘1圓為滲出岡點，滲循出點壓任頭黎為羅0醒m糠，其它釘條件同臉方扭案棒1暖，則計買算所得勿結(jié)果見損表蠅2款.相從區(qū)表坡1巴、鳴2砍可以看滅出，裂劃隙巖體腸的滲透代壓力分妖布較符濁合實際幅，也驗君證了程晝序的正雖確性。圖2裂隙巖體滲流場分析計算模型為了使上述程序適合注漿的要求，考慮非牛頓流體滲流過程影響，并假設當節(jié)點滲流壓頭H減去初始壓頭H0小于某一級限值時(如1.0E-3)，令該裂隙單元的滲透系數(shù)為1×10-3K0，飽和度S=0.01S0，則計算得t=200s、t=2000s及t=10000s時，兩種方案的滲透范圍見圖3、圖4(注漿初始條件為注漿壓力P=5MPa，漿液粘度為0.034Pa·S，漿液的剪切強度為14Pa，靜水壓力P=0MPa).表1第一種方案各節(jié)點滲透壓力的計算結(jié)果腔點號磚T=1華0s說T=2斃50s輝T=2欄500通s駁T=1中000蝕0s績6蹄0.0界011禿99錦0.0尺294耗15案0.2跑517停82毫0.7謀252灰68蒙7分0.0境007哲9橡0.0青196終15霉0.1層711孔26逐0.5鳳771姻16懇8泡0.0稼007栽9杠0.0跑196征09毀0.1籌674鈴88腰0.4名768圈26授10閃0.0事000窯06泊0.0掘018院22醒0.1庸395豬75咐1.1怖303綿59防12咸0.0嗚000由02蜻0.0蠟007忌09玩0.0腫546薯26灶0.4魚762婚91松13贈0.0擴000閥01睡0.0好003職54階0.0臟272突85閘0.2陽357做22碎15精0.0槐083旅93壤0.0陰258頓65因1.7鴨353習62株4.3弦167明58雁16譯0.0釀039吼97圈0.0惡980垮41愁0.8肯330含13燦2.2嬸473峰32絕17覺0愁0.0撈000堡08滾0.0伴056測72訓0.1庫674戶84帶18變0.0驕007袋99憑0.0竟196徹08漢0.1陡662越32息0.4候411潑65范21峽0.0灰000蛋03隱0.0將010壓12縱0.7沖790兵6戲0.6標690席26比22任0.0腔000伴01融0.0毫002捷02假0.0隔157稍91才0.1拔559王54稱24進0.0愧083狹93愿0.2豈058衣65芒1.7束353訪62揭4.3董167底58舉25島0.0騙039疫97漫0.0鍬980油41出0.8瞇330示13隸2.2魚473嫩32球26兼0水0.0賤000筐08機0.0全056孕71話0.1吵674滾84遵27染0.0罰007臣99達0.1喇960千8誓0.1斧662姑32黎0.4蕩411農(nóng)65捉29彼0.0句000玩06盲0.0靜018滴22蛋0.1集395數(shù)75金1.1角303嘗59悼30乘0.0棄000仙02龜0.0疾007唐09狀0.0努546練26戶0.4炒762持91疊31乞0.0餅000器01尋0.0骨003勉54得0.0境272魂85安0.2廚357習22鐮33歲0.0閥011編99住0.0門294使15今0.2分517途82狂0.7插252曲60娃34返0.0爛007妄99贊0.0涌196水09屈0.1干711鍵26困0.5毯777金10鞠35溉0.0爛007歸99脾0.0位196牧09肅0.1拳678巷8福0.4偉768嫁26孟36蒸0.0參011畢99辰0.0乖294貌10么0.2膏481勵45培0.6料243拍79表2第2種方案各節(jié)點滲透壓力的計算結(jié)果詠點號雞T=1稍0s孤T=2鞭50s擴T=2臥500貞s句T=1并000歷0s運6趟0.0鋸011驗99績0.0疊294舒11西0.2永494臭02茫0.6游601材87邁7埋0.0么007竿99正0.0勾196久13捷0.1字699戒99尖0.5亡471滾67涂8筋0.0堪007爆99踢0.0府196葵13吩0.1浙699直99定0.5完471賤67藝9洲0.0爽011別99蹄0.0樸294姨11鮮0.2肆494擺02皮0.6提601權(quán)87贊10鄉(xiāng)0.0傻000母03腐0.0糕008耀60斑0.0釘661繼39非0.5評580搞49游12鉤0.0扛000罪04辛0.0類012曠15篩0.0太933殊71亞0.7浩814勉95擱13喉0.0沒000毛03分0.0準008擊60愧0.0詢661祥39針0.5腦580指43很15插0.0商007暢99呈0.0裕196鐘13用0.1窮699級99掏0.5幟471廊61哭16鞋0.0疫039鈔97制0.0征980陸40意0.8進323零85聾2.2繭298兔79投17宗0.0掉039男97蒜0.0娘980仆40賺0.8開323翼85招2.2秀298搞79祥18品0.0蠟007波99持0.0娃196熊13結(jié)0.1止699徑99染0.5豎471吊13撲20訴0.0貧000皂04擔0.0壟012歪15蹲0.1臭933硬11火0.7跪814音95隊22晉0.0營000敘04菊0.0請012絕15瞎0.0嶄933贊05橡0.7脫808趣52憤24污0.0坦007廣99撕0.0濟196據(jù)13逐0.1鈴699劍99磚0.5悉471賄61勉25介0.0恰039漆97喚0.0鄭980宜40遮0.0秋832愈385躁2.2茶298接31咬26昆0.0綁039葛97捕0.0封980紗40妨0.8脈322狹60努2.2春262戰(zhàn)97霜27草0.0誘007饅99搞0.0四196境13禍0.1先698包73恢0.5袖643毒626語29礦0.0雙000擴03痕0.0留008目60會0.6勾613萌9判0.5帳580播43會30于0.0飄000偉04鉛0.0節(jié)012貍15屑0.0寶933司05鄉(xiāng)0.7仍808雨52曬31取0.0塑000斃03著0.0扣008天60挑0.0廉622喜66劫0.5后270揮68游33腐0.0笑011虛99陰0.0鴨294綢11盛0.2磁494脆02圾0.6朱601因87垂34權(quán)0.0姓007尺99尿0.0偷196繭13夾0.1止699隊99嚇0.5銜471掌13然35條0.0饒007統(tǒng)99渴0.0待196嶄13嫌0.1李698淺78靜0.5嘩436科26剪36理0.0忽011謙99沖0.0惜294糧11狼0.1窯668滿55翻0.4斑571棗73由圖3、4可以看出，第一種方案t=200s時該漿液的滲透范圍約為0.5m，t=2000s時約為2m，t=10000s時約為4.5m，第二方案當t=200s時，該漿液的滲透范圍約為1.0m，t=2000s時約為3m，t=10000s約為5m.辮圖拳3孕注漿條漿件下第握一種方傾案計算壇結(jié)果番(統(tǒng)粗線條喉表示已行注入漿感液象)時圖旺4誰注漿條標件下第衡二種方突案計算兼結(jié)果瘦(回粗線條百表示已悠注入漿擔液旅)若某注漿工程要求滲透范圍1.5m，注漿壓力為5.0MPa，則對第一種方案需注漿時間1200s，注漿量為60t，對第二種方案需注漿時間為800s，注漿量為70t.坐3默半裂隙網(wǎng)薦絡滲流訪與應力鼓耦合模釣型及注慧漿極限千壓力的牲確定預3.1妨預裂隙網(wǎng)傲絡注漿挖滲流及棵應力耦呀合模型姑研究阿由于漿急液在裂撥隙網(wǎng)絡賓中流動鑄，不可霜避免有顛應力參偵與，有態(tài)必要考音慮巖體患應力環(huán)凍境的影性響。實坦際上漿橋液的入客滲過程些是和巖潛體應力哀場密切路相關的級，一方然面漿液義的入滲妄勢必擾榜動巖體申的原有猶應力場渡，另一懷方面，擇變化的靜應力場顏會引起摸裂隙的省張開、拐閉合甚袖至擴展奔，改變廈漿液的孔入滲路惜徑和入推滲量，城因此漿欺液在滲秋流過程鞠中是和購應力耦狡合的。聰最為重貞要的是熟，當注早漿壓力國過大時驚，有可處能引起滿裂隙的徐擴展和次注漿墊弱層的破甚壞，導樓致注漿庸過程的浪失敗，答因此確考定應力弓耦合條梢件下漿剖液的滲鍛流過程妥及注漿彩極限壓狹力是十便分有價抱值的。秀根換據(jù)作者尺已建立虧的單裂電隙滲流蜓與應力春耦合模們型村[5]鎖，可建兩立裂隙蕉網(wǎng)絡滲螞流與應帽力耦合某模型，線有神(介4)攔式中：友A駱q洞為節(jié)點梯流量集惹成矩陣根;歐Q非為各節(jié)梁點入滲龍量的集固成矩賭陣腐;b濾0振為初始俗張開度爭;u柱1姑為法向凝壓縮位蕉移訪;u丟2魚為剪脹挺位移續(xù);k渣n隊、前k誼s季為初始張法向和細剪切剛首度劫;k梨*窯s行、成k廟*化s障為耦合痛作用后壁的法向競和剪切況剛度碎;F濟j親為體力減分量腦;惹σ施ij俘為應力搏分量亂;d系m沙為裂隙想剪脹角暮，其它懶參量同朋前。必在評實際計走算過程勾中，要形注意處撇理滲透徐壓力的自影響，破本文中攤把滲透液壓力作繳為面力噸處理，甜認為每莊一裂隙蜻單元內(nèi)社滲透壓熊力呈線翁性分布顧，并應拌用應力早等效原財理，把臂其處理繼成等效遵結(jié)點力雙。綜上踏所述，槳裂隙網(wǎng)善絡注漿崗滲流與灣應力耦它合模型堂真實地威描述了紀漿液和黎巖體相河互作用投的過程去。難3.2菜曉算例授根據(jù)上善面所提描出的理垮論模型個，作者玉編制了堡有限元月程序，豆以圖童5揀作為計縣算模型芳，計算隊出考慮項應力耦朝合條件艘下的各都點注漿金滲流壓拖力的分膊布及巖嘗體應力鵲場、位在移場的以分布，競這里假千設模型嶄外部受嗓有均布野壓粒力呼P=3余MP沖a譜，則計饅算結(jié)果豎見解圖咸6各、挨圖什7.簽由圖愛6參可以看棍出，考毯慮應力勻與滲流溉耦合后寬，裂隙塔網(wǎng)絡各樸結(jié)點的水滲透壓囑力發(fā)生聯(lián)較大變途化，并績且在應剛力與滲范流的耦豎合作用醫(yī)下導致店了滲透丘壓力分考布的非枯對稱性梁。由犬圖手7司可以看言出，在挎先有應餡力作用常條件下襯，考慮療應力和懸滲流耦外合后，倒局部應悶力發(fā)生飽應力集加中，裂曠隙剪切討位移和遵法向位就移都增陽大。欺圖袋5脈裂隙注朵漿滲流裹和應力左耦合計足算模型腸圖劇6碼裂隙巖組體滲流還場的分潛布衣圖蒜7寧裂隙巖障體應力止場分布言(違t=1毅000宋s)繡3.3鞠菌裂隙擴要展及注記漿極限狹壓力陪在茅3.痰1烘節(jié)中已搏交待過豐注漿壓俊力不易毀過碑高慶,黃對于裂云隙網(wǎng)絡襲巖體來四說也是頌這樣，棒注漿壓拿力既不粗要超過屢裂隙的半斷裂韌洗度，使外裂隙繼杠續(xù)擴展蕉，也不唇要超過星注漿墊槳層的強冤度，使?jié)匙{墊喘層破壞槍，導致臂注漿的狡失敗執(zhí)。肚①繞裂隙網(wǎng)熔絡系統(tǒng)舒極限注孔漿壓力井。對于疫連通裂勸隙巖體已網(wǎng)絡來玩說，巖露體被剖譽分成各江個塊體眼，也就脆無所謂取裂隙的廚繼續(xù)擴尤展；而繭對于非俯連通裂皺隙巖體慧網(wǎng)絡，廉可先在尊裂隙網(wǎng)豎絡上求誓出各點化滲透壓無力的分撤布，再錦校核各選個裂隙勒尖端是魄否會繼毀續(xù)擴展輝，以此私來判定民極限注怕漿壓力博。診②斜由注漿舟墊層的僅穩(wěn)定性場分析來辜確定極允限注漿股壓力。崇4術靠