裂隙岩体网络注浆渗流规律

裂隙岩体网络注浆渗流规律)摘要：本文在裂隙结构模拟的基础上，建立了裂隙网络非牛顿流体的渗流模型，并应用所建立的分析模型进行注浆渗透过程模拟，建立了确定注浆参数的一般方法。在此基础上，本文还讨论了裂隙岩体注浆过程中的渗流和应力耦合问题，分析了应力和渗流耦合对注浆过程的影响。关键词：裂隙模拟；非牛顿流体；渗流；应力；注浆参数收稿日期：2000-03-09作者简介：杨米加(1971-)，男，安徽和县人，中国矿业大学博士，现为河海大学渗流室在站博士后，主要从事裂隙渗流方面的研究。天然岩体内分布着大量的裂隙和孔隙。一般地，岩体中的孔隙尽寸较小但数量较多，而裂隙数量少但其渗透性好，因此在岩体渗流中对渗流起控制作用的主要是裂隙。特别是对于注浆工程，由于注浆浆液都为比较粘稠的悬浮液，在孔隙中几乎是不可渗，因此我们可假定在岩体注浆中，浆液只在岩体裂隙网络中渗流。1裂隙岩体网络模型对岩体裂隙网络模型的研究是从研究地下水活动规律开始的[1～3]。早期的研究一般认为岩体中的裂隙规则分布，或把岩体作为一连续体，把裂隙均匀到岩体的各个质点上去作多孔介质处理。而实际上，裂隙是在长期地质历史作用下形成的，而且由于地质组成的不确定性以及多次地应力的作用，裂隙在岩体中的分布，既体现了一定的规律性又表现出一定的随机性。为了形成即便于计算又反映裂隙赋存状态和裂隙渗流规律的离散裂隙网络模型，采用蒙特卡洛法模拟生成岩体裂隙网络是最合适不过的。蒙特卡洛模拟(或称蒙特卡洛法)是一种具有独特风格的数值计算方法，可求解具有随机性的不确定性问题。利用蒙特卡洛法求解问题时，首先要建立一个概率模型，把需要求解的问题同概率模型结合起来，然后通过随机抽样试验得到某些所求问题解的概率分析，这就是蒙特卡洛法的基本思想。裂隙网络结构模型的蒙特卡洛法模拟就是根据现场裂隙的统计参数及规律，应用蒙特卡洛法产生裂隙参数的随机抽样，并通过计算机图形功能，实现裂隙结构的再现[4]。2岩体裂隙网络注浆渗流规律2.1岩体裂隙网络注浆对于注浆浆液这样有较大粘度的液体，它只能在岩体裂隙中流动[2、5]。对于裂隙发育的岩体可采用等效连续介质模型来模拟它在岩体中的流动，但对于裂隙不太发育的岩体，其单个裂隙的几何参数及位置将对浆液流动过程产生重要影响，若应用连续介质模型，可能会造成较大的误差，因此有必要建立岩体裂隙网络注浆渗流模型。群岩体裂隙幼网络是指岩体伙内不同成因、葡不同力学性质算、不同规模和耍不同方向的裂雀隙个体在空间守上相互交叉构锈成的网络状系撑统，称为裂隙讯网络系统。裂右隙网络系统因师受个体裂隙非裤均质特性的影丹响，其整体性蛛质可表现为均砖质性、非均质那性、各向异性赴或各向同性等辽多种形式，从顿而也使得裂隙好网络岩体的性丘质更趋于复杂深[5]临。驶距2.2李跑裂隙岩体注浆锅渗流控制方程暗当裂隙网络渗流识模型是根据裂薪隙交叉的几何桐特征，把裂隙菜交叉点作为节食点，节点与节制点之间的裂隙烟作为线单元，医并根据各线单息元流向共同节蒙点的流量等于显零然(芹稳定骆流徐)队或等于贮存量陆的变攀化灰(环非稳定育流斯)缴，建立裂隙岩忘体网络的渗流径方程，然后再秒结合初始条件炊和边界条件就哭构成了裂隙网他络渗流模芳型底(高见励图草1).图1应用蒙特卡洛模拟生成的裂隙网络根据各线单元流向共同节点的流量等于零(稳定流)或等于贮量的变化(非稳定流)，有垮(甚1)蚂式中攻：换H手fi佣为挥i夏节点上的压力煤；益,S压i壶为裂隙老以争i肾为中心的表征世体积单元的弹异性贮存系数若，挎w利j蚁为丸i盛点的垂直入渗著量瞧，水b霉j搞、贼l浓j份为裂隙段的宽性度和长度扭，矿j重为连汇接昨i豪的各裂隙段抬；肥N雄′切为特征单德元就i械点的线单元数涛。脂考虑到注浆过低程中无垂直补羞给，且注浆浆歪液具有非牛顿颗流体特性，大瞒多属于宾汉姆贵体，有济q=坟b眨=沸γ灌b菊3沿/1弓2唐η将J弃+益τ抗3押0惯/河3章η魔b鞋γ派2娇J醋2亚-与τ扇0炊b/便4摄η枝(叛2)结合式(1)有奉(蔽)贝i趣+Q疫i芒=-d摔i售dH捧fi鬼/dt(i=挠1,2旗,接…辨N)富(长3)式中：q为裂隙单元单宽流量；为流速；η为流体动力粘度；τ0为流体的剪切强度；βj=γb3/12η+τ30/3ηbγ2J3-τ0b/4ηJ;Jj为i点表征单元第j个裂隙的渗透梯度。称则臭式机(3衣)迎即为裂隙岩体麻注浆渗流控制乓方程猜。稍膝2.3柄另非牛顿体非稳耕定渗流场分析脆及注浆参数的岭确定猛型根据上述的结红论，作者自己绵编制了程序，荐对裂隙岩体的疲渗流厨行了分欺析，并比较了蝶牛顿流体和非乎牛顿流体渗流玩过程的差异。喊计算选取模型剧如腔图烫2以所示。计算中蜜选取粘活度拿η娘=0.034纱Pa·忆s奖，注入点压头议为象5m出，渗出点压头懒为佣0m楼，流体为牛顿约流体，服从达级西渗流定律。能第一种方案，污以慌1市9表，责2田0撒点作为注入点市，边界范点废1倡，难2庆，券3文，刚4批，鱼5兆，宵1骑0惧，耐1耍4从，宿2汽3啄，陡2薄8危，挽3喜2牲，收3鸽7默，龄3巷8讯，访3胀9屈，握4疤0络，献4门1傍作为渗出点，洞则计算所得的材结果见贝表葵1蹄.后第二种方案贪以给2东1汗点作为注入点堪，注入点压头论为夹5m钩，以边界屠点肌1轨，医2毛，宝3鉴，授4挣，孤5蕉，桨1鼻0有，木1宣4杜，度1蚁9强，毛2脱3码，笨2上8炮，积3轿2悔，责3跳7引，童3奉8勇，蛙3以9掌，征4秒0宰，捎4靠1爬为渗出点，渗复出点压头为糖0m检，其它条件同耀方舌案康1泉，则计算所得资结果见吩表摩2喘.纽从燕表奸1友、宜2叠可以看出，裂测隙岩体的渗透告压力分布较符沫合实际，也验铺证了程序的正拴确性。图2裂隙岩体渗流场分析计算模型为了使上述程序适合注浆的要求，考虑非牛顿流体渗流过程影响，并假设当节点渗流压头H减去初始压头H0小于某一级限值时(如1.0E-3)，令该裂隙单元的渗透系数为1×10-3K0，饱和度S=0.01S0，则计算得t=200s、t=2000s及t=10000s时，两种方案的渗透范围见图3、图4(注浆初始条件为注浆压力P=5MPa，浆液粘度为0.034Pa·S，浆液的剪切强度为14Pa，静水压力P=0MPa).表1第一种方案各节点渗透压力的计算结果前点号震T=10s爷T=250s娱T=2500嫩s件T=1000世0s艳6悄0.0011丘99泼0.0294畏15我0.2517尘82床0.7252家68后7岩0.0007鱼9吵0.0196尼15躬0.1711禾26非0.5771洞16养8逼0.0007剧9掩0.0196菊09觉0.1674出88衡0.4768业26派10浴0.0000眯06执0.0018猛22竭0.1395呆75控1.1303饱59澡12肯0.0000器02闯0.0007劝09叫0.0546节26旨0.4762砖91悉13第0.0000态01若0.0003封54套0.0272病85净0.2357岁22凭15泊0.0083愚93歉0.0258误65似1.7353茅62踏4.3167偏58般16坐0.0039帮97庄0.0980母41单0.8330搞13绒2.2473剖32蠢17厘0符0.0000卸08孝0.0056钱72牌0.1674漏84麻18印0.0007伶99已0.0196侧08餐0.1662夹32结0.4411隙65亲21贯0.0000库03子0.0010毛12砖0.7790塑6威0.6690发26厅22钻0.0000嫌01禁0.0002杀02著0.0157内91烈0.1559且54职24害0.0083撇93守0.2058返65动1.7353铅62殿4.3167哨58航25缺0.0039框97评0.0980译41倘0.8330免13圾2.2473枝32麦26姿0顽0.0000避08蚊0.0056支71农0.1674虫84切27泰0.0007违99办0.1960闸8漂0.1662接32弟0.4411祖65漆29我0.0000溜06就0.0018仗22宝0.1395愿75惰1.1303覆59测30猪0.0000填02析0.0007秤09迷0.0546昼26哗0.4762摔91绒31扣0.0000乘01引0.0003稠54躁0.0272寺85摧0.2357挽22午33素0.0011叙99弱0.0294塑15个0.2517窑82偿0.7252枝60目34金0.0007少99匪0.0196蚊09宅0.1711换26证0.5777去10砍35歇0.0007肃99歇0.0196尸09级0.1678吊8精0.4768征26自36谢0.0011六99斥0.0294页10川0.2481吧45钞0.6243征79表2第2种方案各节点渗透压力的计算结果狂点号症T=10s产T=250s哭T=2500邀s港T=1000干0s挖6饥0.0011置99仅0.0294嘱11梢0.2494神02就0.6601燥87洗7见0.0007舌99狼0.0196夫13萄0.1699视99傍0.5471证67疏8跪0.0007弃99嫩0.0196趣13烈0.1699过99付0.5471宅67酿9召0.0011驶99惩0.0294钢11并0.2494愚02含0.6601妹87头10解0.0000建03忠0.0008倘60驱0.0661鼓39句0.5580绕49融12摇0.0000昌04趟0.0012鼓15伏0.0933催71售0.7814随95踩13漫0.0000鬼03贩0.0008薪60栋0.0661携39垒0.5580惹43梨15柜0.0007从99割0.0196血13帆0.1699级99暖0.5471速61管16蝇0.0039芹97症0.0980天40止0.8323斧85温2.2298健79求17骨0.0039末97其0.0980花40年0.8323书85箩2.2298芬79苗18计0.0007百99份0.0196牛13初0.1699桐99蚀0.5471顿13绳20迹0.0000锐04眯0.0012浙15门0.1933昂11烂0.7814村95践22酬0.0000竭04漫0.0012贺15王0.0933渐05铲0.7808护52丙24做0.0007钞99夕0.0196删13疗0.1699敌99胡0.5471储61焦25打0.0039微97脱0.0980或40零0.0832币385筒2.2298角31现26咏0.0039桥97找0.0980朴40洗0.8322句60证2.2262昆97予27孙0.0007散99卫0.0196纺13睛0.1698寨73议0.5643块626景29喇0.0000钩03供0.0008嫁60谨0.6613舅9奇0.5580阵43面30弄0.0000柳04职0.0012禽15馒0.0933袜05疲0.7808野52虎31条0.0000缩03粒0.0008倦60拢0.0622烫66币0.5270抢68估33睬0.0011叙99点0.0294耳11竭0.2494待02棚0.6601可87飞34拒0.0007泻99把0.0196星13宿0.1699子99满0.5471甘13四35失0.0007歼99斧0.0196洒13局0.1698纹78这0.5436疫26滋36情0.0011壮99翅0.0294划11谣0.1668朱55萄0.4571料73由图3、4可以看出，第一种方案t=200s时该浆液的渗透范围约为0.5m，t=2000s时约为2m，t=10000s时约为4.5m，第二方案当t=200s时，该浆液的渗透范围约为1.0m，t=2000s时约为3m，t=10000s约为5m.限图识3摘注浆条件下第锣一种方案计算值结果

愈(睁粗线条表示已臂注入浆杰液哄)脸图瞎4糖注浆条件下第克二种方案计算颈结果

剧(雹粗线条表示已每注入浆偶液遣)告若某注浆睁工程要求渗透绸范围面1.5m耍，注浆压力盟为晓5.0MP架a脸，则对第一种剂方案需注浆时盘间帝1200屯s栗，注浆量扒为附60凑t蒜，对第二种方盆案需注浆时间步为罩800播s占，注浆量怪为判70t.疯3纤君裂隙网络渗流来与应力耦合模仍型及注浆极限慨压力的确定姜3.1犹飘裂隙网络注浆皆渗流及应力耦供合模型研究圾起由于浆液在裂朋隙网络中流动野，不可避免有逼应力参与，有逆必要考虑岩体绑应力环境的影谷响。实际上浆收液的入渗过程仆是和岩体应力菊场密切相关的侦，一方面浆液涉的入渗势必扰御动岩体的原有毛应力场，另一蹲方面，变化的纵应力场会引起膀裂隙的张开、奶闭合甚至扩展迅，改变浆液的欠入渗路径和入如渗量，因此浆士液在渗流过程头中是和应力耦妥合的。最为重缠要的是，当注朗浆压力过大时鞋，有可能引起紫裂隙的扩展和灭注浆垫层的破间坏，导致注浆联过程的失败，鲜因此确定应力肯耦合条件下浆废液的渗流过程研及注浆极限压妈力是十分有价岩值的。宅根据作者谦已建立的单裂愤隙渗流与应力回耦合模型春[5]摇，可建立裂隙喘网络渗流与应亮力耦合模型，电有骄(巩4)袜式中：共A绒q兼为节点流量集车成矩阵雷;境Q陶为各节点入渗祝量的集成矩吊阵次;b浴0异为初始张开度帮;u南1归为法向压缩位旺移纪;u宪2演为剪胀位移景;k习n施、摘k逼s烫为初始法向和价剪切刚度脱;k球*东s织、做k耕*考s夺为耦合作用后兔的法向和剪切差刚度蜂;F时j史为体力分量贺;聋σ耻ij刷为应力分量麦;d乌m夏为裂隙剪胀角白，其它参量同汇前。熔在实际计垫算过程中，要养注意处理渗透见压力的影响，突本文中把渗透倾压力作为面力滩处理，认为每结一裂隙单元内滨渗透压力呈线初性分布，并应役用应力等效原端理，把其处理裹成等效结点力迫。综上所述，狱裂隙网络注浆提渗流与应力耦沫合模型真实地绍描述了浆液和愚岩体相互作用痕的过程。蜂3.2滴丽算例经孩根据上面所提慨出的理论模型纪，作者编制了逃有限元程序，嫩以图共5驱作为计算模型脊，计算出考虑绝应力耦合条件剑下的各点注浆否渗流压力的分动布及岩体应力慈场、位移场的僻分布，这里假锐设模型外部受熟有均布压安力召P=3MP执a警，则计算结果拦见评图煮6穗、呀图签7.服由图你6叙可以看出，考业虑应力与渗流捞耦合后，裂隙样网络各结点的喂渗透压力发生训较大变化，并巧且在应力与渗刊流的耦合作用旺下导致了渗透庙压力分布的非旺对称性。由划图拿7证可以看出，在傲先有应力作用万条件下，考虑剃应力和渗流耦灿合后，局部应津力发生应力集墙中，裂隙剪切箩位移和法向位辅移都增大。数图处5志裂隙注浆渗流蔬和应力耦合计馋算模型孔图循6罪裂隙岩体渗流见场的分布贪图缠7凑裂隙岩体应力应场分布拉(莲t=1000逢s)壳3.3某桂裂隙扩展及注堡浆极限压力局雀在永3.难1谅节中已交待过仆注浆压力不易龟过检高甲,县对于裂隙网络赵岩体来说也是当这样，注浆压揪力既不要超过英裂隙的断裂韧两度，使裂隙继灯续扩展，也不蛋要超过注浆垫腿层的强度，使淹注浆垫层破坏腐，导致注浆的植失败粗。骡①你裂隙网络系统暴极限注浆压力雾。对于连通裂奖隙岩体网络来双说，岩体被剖斩分成各个块体捷，也就无所谓坏裂隙的继续扩汁展；而对于非秀连通裂隙岩体周网络，可先在纪裂隙网络上求步出各点渗透压子力的分布，再皱校核各个裂隙懂尖端是否会继亲续扩展，以此更来判定极限注窃浆压力升。海