辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆-水两相流特征.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:长江设计集团自主科研项目()作者简介:陈 曦男工程师博士主要从事水利水电工程施工组织设计工作 :.文章编号:()引用本文:陈曦.辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆 水两相流特征.人民长江():.辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆 水两相流特征陈曦(长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北 武汉)摘要:裂隙灌浆是处理坝基工程地质问题的重要手段而现有的裂隙灌浆研究常忽略了水相对浆液扩散过程的影响不能真实反映浆液侵入过程 为了准确地模拟坝基裂隙灌浆过程采用相场法分析了裂隙介质中浆液侵入特征构建了考虑水相作用的粗糙圆盘裂隙数值模型分析了裂隙粗糙度、裂隙开度
2、、灌浆速度、灌浆压力对辐射流动条件下浆液侵入特征的影响 研究结果表明:恒定灌浆速率条件下相界面移动速率随时间逐渐减小粗糙凸起体会引起黏性耗能导致粗糙圆盘孔口压力显著大于光滑圆盘恒定灌浆压力条件下提高灌浆压力比延长灌浆时间更加有效开度越小浆液侵入量越小灌浆驱水效率不仅受粗糙度大小的影响还与凸起体的分布相关灌浆孔附近的粗糙凸起体引起的剪切速率扰动大于远场的关 键 词:粗糙圆盘裂隙 浆 水两相流 灌浆驱水效率 相界面中图法分类号:.文献标志码:./.引 言病险水库大坝除险加固费用中有很大一部分预算用于坝基裂隙灌浆 作为一种常见的岩体裂隙堵水和加固技术灌浆是解决大坝渗漏问题的重要手段之一 灌浆能有效降
3、低裂隙中水的含量阻断裂隙水的渗透路径 与此同时浆液的侵入和固化可以进一步增强裂隙间的胶结力进而提高坝基裂隙岩体的完整程度和力学性能 大坝灌浆过程具有隐蔽性且灌浆效率存在高度的不确定性 灌浆工艺设计需要综合考虑地质条件(例如坝基节理裂隙发育情况)并在大坝施工之前进行试灌浆 因而合理地进行灌浆工艺设计对于提高灌浆效率、提升水利水电工程灌浆质量十分重要根据介质属性灌浆可以分为多孔介质灌浆和裂隙灌浆 由于坝基岩石基质渗透性远低于裂隙空间所以坝基帷幕灌浆研究主要针对的是裂隙介质根据灌浆材料的流变特性裂隙灌浆又可以分为水泥基灌浆和化学灌浆 化学灌浆材料主要为非线性牛顿流体流动性较好工程上使用较多的水泥基灌
4、浆材料为宾汉姆流体只有当流体受到的剪应力大于其屈服强度时才会发生流动 目前国际上主要有 类裂隙灌浆设计方法:灌浆强度数法()、北美灌浆方法()、开度控制灌浆方法()以及实时灌浆控制方法()这 种设计方法主要适用于水泥基灌浆材料 其中 法重视灌浆结果由于没有考虑灌浆速率及灌浆过程该方法会高估浆液的侵入长度 法利用推进比描述浆液状态当推进比小于 时浆液仍在推进当推进比大于 时浆液处于静止状态 法结合裂隙灌浆和 方法原理能较好地适用于裂隙网络灌浆设计 法给出了一维平行板和二维辐射流动解析解能够描述浆液推进距离随时间变化规律且能估算浆液流动速率 人 民 长 江 年水电工程坝基裂隙灌浆时往往不可避免带水
5、作业 当水泥浆液和裂隙水处于同一裂隙空间时浆液受压注入裂隙前需要不断驱替裂隙水才能增加有效侵入深度因而裂隙水对浆液侵入有一定阻滞作用而前文所述的几种主要裂隙灌浆方法通常忽略水的存在将裂隙灌浆视为水泥浆液单相流过程 这并不客观主要是由于水泥浆液和裂隙水分别属于宾汉姆流体和牛顿流体二者的流变特征、裂隙侵入能力有较大差异需要采用两相流方法进行分析使得研究的问题较为复杂 此外裂隙空间与壁面形貌有关起伏多变浆液流动过程会同时受裂隙粗糙度、水相影响而现有的研究较少同时考虑以上因素对裂隙灌浆的影响当同时考虑粗糙度、水相影响时裂隙空间中浆液流动与单向流有一定差异 鉴于此本文利用 条标准轮廓线建立粗糙圆盘裂隙模
6、型通过相场方法捕捉相界面移动过程利用标准粗糙圆盘模型分析灌浆类型(恒定速率和恒定压力)、裂隙几何特征、粗糙度等对浆液驱水效率的影响 控制方程及本构模型.流场方程和相场方程浆液和水的流动采用流场方程进行描述流场方程包括连续性方程和动量守恒方程 坝基裂隙中渗流速度较小流体受到的惯性力小于黏性力 考虑到流体不可压缩流场连续性方程为()式中:为沿不同坐标方向的流速分量流场动量守恒方程为 ()()()()()()()式中:为密度 为压强 为动力黏度为体积力浆液和水界面利用相场方程确定:()()()式中:分别为相场变量、迁移参数、张力系数、界面厚度参数.本构模型浆液和水具有不同的流变特性 其中水为牛顿流体
7、本构模型为 /()式中:为剪应力为黏性系数 为剪应变水泥浆需采用宾汉姆流体本构:/()式中:为宾汉姆流体的屈服应力 当 时水泥浆本构模型转化为水的本构模型 基于标准轮廓线的粗糙圆盘裂隙生成方法由于裂隙内壁凹凸不平含有许多粗糙凸起体坝基裂隙灌浆受到惯性作用浆液驱水效率相应受到影响 为了研究粗糙度对灌浆驱水过程的影响本次研究利用标准轮廓线生成一系列不同粗糙度、开度的标准圆盘 灌浆孔位于圆盘正中间浆液沿着各个方向同时扩散 由于在每个扩散方向上裂隙粗糙度和开度相同因此可通过控制变量法单独研究形貌、开度、灌浆条件等对浆液驱水过程的影响首先需要获取 条标准轮廓线数字化模型为此基于 图像灰度处理功能提出一种
8、简单的数字化处理方法步骤概括如下:()对文献中每条 轮廓线进行单独截取并保存()将截取的图片导入 并将图像信息转化为灰度信息 灰度信息是采用矩阵形式进行存储和表征的矩阵的列数代表图片的长度矩阵的行数代表图片的高度 矩阵中各元素的大小范围为 代表图元的灰度其中 代表纯黑 代表纯白()寻找每一列元素中最小值该值位置即为轮廓线点元的位置()将灰度图得到的位置信息转化为坐标信息水平距离最大两个点元之间的长度代表轮廓线长度()将轮廓线插值成给定的采样点距(本次研究取 )标准轮廓线的数字化采集流程如图 所示 获取的标准轮廓线如图 所示(以序号 这 条标准轮廓线为例)将每条轮廓线向上或向下偏移一定距离形成裂
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- 辐射 流动 条件下 粗糙 圆盘 裂隙 两相 特征
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