基于Fluent的裂隙注浆数值模拟及试验研究

来源:用户上传      作者: 吴星 张柳 郭琦 张载松

　　摘 要：介绍运用fluent成功的建立岩体裂隙注浆堵水模型，并通过山东大学研制的准三维裂隙注浆模型系统验证裂隙注浆堵水模型的浆液扩散形态及静压分布。通过室内试验得到在动水条件下注浆过程中浆液产生的注浆压力随浆液扩散的分布规律。
　　关键词：Fluent；水泥浆液；注浆扩散形态；压力分布规律；模型试验；数值模拟
　　0 引言
　　注浆技术能够达到改善岩土体的物理力学性质的目的[1]。虽然注浆已经经历了飞速的发展，但是注浆理论仍远远落后于工程上的实践，理论的完善与进展是相当缓慢的[2]，其中动水及静水条件下的裂隙突涌水注浆理论虽然取得了初步发展，但同样滞后。注浆数值模拟研究同样落后于工程实践。
　　本文采用室内试验与FLUENT数值模拟相结合的研究方法[3]，用山东大学研制的准三维裂隙注浆模型系统得到在动水条件下注浆过程中浆液产生的注浆压力随浆液扩散的分布规律，同时验证FLUENT裂隙注浆堵水模型的浆液扩散形态及静压分布.
　　1 岩体裂隙注浆堵水模型
　　1.1 建立岩体裂隙注浆堵水模型
　　数值模拟的目的是建立一个模拟在动水条件下裂隙注浆的模型。通过Fluent前处理软件Gambit建立三维注浆几何模型及网格划分 ，其中长方体是模拟裂隙，宽度为2m，长度为4m，厚度为0.02m。圆柱体是模拟注浆管，长度为1m，半径为0.025m。
　　1.2 不同注浆速度的数值模拟
　　岩体裂隙注浆堵水模型取动水和浆液的两相流，动水速度取0.6m/s，浆液速度分别取0.6m/s和1.6m/s，分别取注浆35s和注浆100s时的相液扩散形态表明：注浆速度为1.6m/s时与注浆速度为0.6m/s时扩散形态及变化完全一致，先在动水条件下呈近似椭圆型扩散，稳定后呈现U型扩散；注浆速度为1.6m/s时比注浆速度为0.6m/s时扩散范围更广，开度更大。
　　从压力曲线可以得到以下规律：（1）入水口处到注浆管处水的静压基本保持不变；（2）注浆管处的浆液静压变化很大，到注浆孔处，浆液的静压与水的静压基本相同。（3）从注浆管到出口，静压呈衰减变化，到达出口处静压变为零。
　　2 裂隙注浆模型试验
　　2.1 试验装置
　　研制的室内注浆模型考虑到模型试验的条件与原型的相似性，模型试验的结果与原型的相似性，所以要求研制的装置必须满足模型试验的一般理论，即相似理论，试验系统选用室内注浆模型试验装置，注浆模型试验装置共分为以下几个部分：模型架，注浆动力系统，进水出水系统，录像监测系统。其中注浆试验模型架模拟的裂隙上层面是由一整块高强度的钢化玻璃组成，模型的框架是使用不锈钢框架；裂隙下层面主要包括三个面，由上到下为找平层、填充层和承力层。表面找平层是预先埋设压力、流速和温度三种传感器的环氧树脂层。通过该系统采集的数据能够实时记录下流速和地下水压力，并且记录浆液扩散迹线形态。
　　2.2 试验初始条件
　　本动水试验采用水灰比（W/C）为1：1.5的水泥浆液，用搅拌机搅拌15min后通过注浆系统注入，采用动水初始流速为0.6m/s，注浆孔的半径为0.025m，持续注浆2min，浆液法向流速取0.6m/s、1.6m/s两种工况。
　　2.3 数据记录
　　本次试验记录数据分别为浆液扩散形态和静压分布。其中浆液扩散直接采用录像记录方式进行记录。本实验通过压力传感器对注浆过程中压力分布进行记录，从而能够得到注浆过程的静压分布情况，本实验得到的静压分布曲线不是完全平滑的，主要是由于传感器分布密度小所导致的。
　　3 模拟结果与试验结果对比及分析
　　3.1 扩散形态结果对比及分析
　　室内试验注浆扩散形态：浆液进入稳定扩散状态后，其扩散区域是稳定不变的，即浆液的稳定扩散形态都呈现标准的U形。
　　由裂隙注浆模型试验可得到以下规律：（1）在试验注浆刚开始进行的时候，注浆孔周围浆液的流动的状态是紊流的，而且浆液流速较快。随着注浆量的增加，浆液的扩散范围是逐渐变大，但是扩散范围也是有一定极限的，即其扩散范围到一定程度便不再增加了。（2）在充填扩散范围与动水接触面上，有一个过渡扩散区，该区域呈现紊流状态，并且该区域的浆液是不断的从紊流状态向层流状态转化的，随着注浆量的增加，这种转换是不断加快的。在过渡扩散区内，会出现浆液析水分层的现象。（3）最稳定的是最外层流场，水和浆液都属于层流状态。而且在试验中，可以明显的看到稳定的流线，浆液分层明显，但是水和浆液不相互干扰，水的流场相对较稳定，浆液的流场也是相对稳定的。（4）浆液的扩散始终没有将整个裂隙充满。
　　由比较可知，Fluent模型相液也分层，由里到外依次为充填扩散区，过渡扩散区和分层扩散区，且未完全充填整个裂隙。模型模拟结果与试验结果基本一致。
　　3.2 静压分布结果对比及分析
　　由裂隙注浆模型试验可得到静压规律：（1）注浆孔处静压最大，随着扩散距离的增大静压一直衰减，直到衰减为零。（2）静压衰减在注浆孔处最显著，随着扩散距离的增大，衰减速率在减缓。（3）注浆速度增大，静压分布也明显增大。
　　模拟与试验静压分布对比可知，试验结果普遍比模拟结果偏大，推断原因为：在实际的扩散过程中由于水泥颗粒的沉积作用，颗粒会不断沉积，以致堵塞裂隙，阻止浆液的扩散；但是在数值模拟中在计算两相流体运动时，水泥颗粒的沉积作用是没有考虑进去的，沉积作用对浆液扩散的阻力是不存在的，所以试验结果比计算结果偏大。模拟静压分布所得基本规律与试验静压分布基本一致。
　　4 结论
　　本文利用Fluent建立岩体裂隙注浆堵水模型，并通过山东大学研制的准三维裂隙注浆模型系统验证裂隙注浆堵水模型的浆液扩散形态及静压分布。通过室内试验得到了裂隙注浆过程中的一系列基本规律，如浆液扩散形态规律和浆液静压分布规律，对裂隙注浆技术做了一些有意义的探索。
　　参考文献：
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　　[2]王玉钦，冀焕军，杨永利. 煤矿井下动水注浆堵水实践[J].煤炭科学技术，2007，35（02）：30-33.
　　[3]曹胜根，刘长友.高档工作面断层破碎带顶板注浆加固技术[J]. 煤炭学报，2004，29（05）：545-549.
　　[4]张忠苗，邹健.桩底劈裂注浆扩散半径和注浆压力研究[J].岩土工程学报，2008，30（02）：181-184.
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