辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆-水两相流特征.pdf

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、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隙空间然后将其旋转生成粗糙圆盘 利用标准轮廓线生成的粗糙圆盘如图 所示 第 期 陈 曦:辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆 水两相流特征图 条标准轮廓线的数字化流程.图 数字化的标准轮廓线.图 典型粗糙圆盘.粗糙圆盘裂隙中浆 水两相流特征.恒定灌浆速率本部分研究的主要目的是分析恒定灌浆速率条件下裂隙粗糙度、开度以及灌浆条件对浆液扩散过程的影响模型示意图如图 所示 边界条件为:灌浆速率./出口压力为 裂隙开度为 粗糙圆盘半径为 考虑到模型满足对称要求选取二维对称面作为研究对象利用三角形单元对模型进行划分共计得到 个单元 图 描述了不同时刻粗糙圆盘裂隙()中浆相和水相体积分数分布情况 在恒定灌浆速率下浆相沿着各个方向均匀驱替水相浆相(蓝色部分)体积分数不断增大水相(红色部分)受到驱替体积分数不断减小 沿径向方向布置一个监测断面并将浆液推进锋面(浆 水体积分数在 之间)定义为相界面研究不同时刻浆液推进特征 图 描述了不同时刻相界面的迁移过程可以看到在恒定灌浆速率下相界面移动速率逐渐变慢径向驱替速度逐渐减小图 浆 水两相流模型边界条件.图 不同时刻浆 水分布特征.图 的粗糙圆盘不同时刻水相体积分数.()孔口压力值对灌浆工艺参数设计十分重要 孔口压力过大会造成灌浆泵超载影响其正常工作过小则不能有效灌入浆液 图 描述了相同裂隙开度和灌浆 人 民 长 江 年速度条件下不同粗糙度圆盘的孔口压力随时间变化关系 不同粗糙度圆盘孔口压力均随灌浆时间增长而不断增大 这主要是因为裂隙中浆液量随时间增长不断增多由于浆相的屈服应力和塑性黏度均大于水相流体受到的黏滞阻力不断增大需要更大的压力梯度驱动浆相和水相的流动 在恒定灌浆速率条件下由于入口流量相同不同 圆盘相界面位置大致相同(见图)在目前的灌浆工艺设计中一般将裂隙简化为光滑平行板模型 从图 可以看出光滑圆盘孔口压力明显小于粗糙圆盘 因此在恒定灌浆速率条件下现有的光滑平行板模型低估了粗糙度对孔口平均压力的影响图 恒定灌浆速率下不同粗糙度圆盘孔口平均压力随时间变化曲线.图 不同粗糙度圆盘第 时浆液侵入特征.浆相和水相的剪切速率受凸起体分布影响 图 描述了灌浆时间为 时不同粗糙度圆盘中流体径向剪切速率分布特征 流体沿流动方向的剪切速率不断减小光滑圆盘中流体剪切速率沿径向分布曲线是光滑的而在粗糙裂隙中流体的剪切速率分布受到了表面凸起体的影响存在较为明显的扰动呈锯齿状 粗糙度越大沿着径向剪切速率越小粗糙度会引起流体黏性耗能增大克服流体流动黏滞阻力所需要的动能越大图 不同粗糙度圆盘沿径向的流体剪切速率分布特征.恒定灌浆压力裂隙灌浆工程实践中也经常采用恒定压力灌浆图 以 的粗糙圆盘为例描述了不同灌浆压力下相界面随灌浆时间的迁移特征 灌浆压力越大相界面位置移动量越大浆液扩散速度越快 对于给定的灌浆压力相界面位置移动量趋于稳定 因此恒定灌浆压力条件下相界面移动距离并不会随时间无限增大 在较小的灌浆压力下即使延长灌浆时间岩石裂隙中的浆液侵入量也并不会随时间显著增大因此在裂隙灌浆工程实践中必须选择合适的灌浆压力 压力过大会导致灌浆泵超载过小则不能有效增加侵入量图 不同灌浆压力下相界面位置随灌浆时间的变化.图 为 的粗糙圆盘在不同裂隙开度下水相体积分数随灌浆时间变化规律曲线 在恒定灌浆压力和相同形貌条件下随着裂隙开度增大浆相驱替水相速度显著加快 在同一时刻裂隙开度越大相界面的移动距离越大驱替效率越高 此外对于低开度的裂隙即使延长灌浆时间浆液驱水量并未显著增加 在实际的灌浆工艺设计中需要重视裂隙的开度特征选择合适的灌浆压力和灌浆时间避免长时间无效灌浆 第 期 陈 曦:辐射流动条件下粗糙圆盘裂隙中浆 水两相流特征图 不同裂隙开度下水相体积分数随灌浆时间的变化.裂隙形貌也是影响浆液驱水效率的重要因素 图 描述了相同裂隙开度和灌浆压力条件下不同粗糙度圆盘中浆相 水相界面位置随时间的迁移特征 光滑圆盘()中流体受到的黏滞阻力和惯性最小因而浆液驱水速度最大相界面移动距离最大 在相同灌浆时刻粗糙圆盘相界面移动位置差异不大但显著低于光滑圆盘 具体来看粗糙圆盘中 的圆盘相界面移动速度最大 的圆盘次之 的圆盘再次之 的圆盘最小 由此可见裂隙形貌对浆液驱水效率有重要影响但灌浆驱水速度并非随着裂隙粗糙度的增大而减小产生这一现象的主要原因是粗糙度引起的黏性耗能与流体剪切速率分布密切相关图 不同粗糙度圆盘中相界面随灌浆时间的变化.图 为两个具有相同粗糙度的圆盘裂隙径向截面示意图 图()裂隙的粗糙凸起体分布于灌浆孔附近而图()裂隙的粗糙凸起体分布于出口附近 模拟结果表明:在相同的灌浆压力和开度条件下入口处的粗糙凸起体引起的剪切速率扰动远大于出口附近的粗糙凸起体引起的剪切速率扰动 因此虽然粗糙度相同但是图()裂隙粗糙度引起的黏性耗能大于图()裂隙 图 也印证了这一点:在相同灌浆时刻图()裂隙相界面移动距离明显小于图()裂隙 因此裂隙灌浆驱水效率与粗糙凸起体的分布密切相关灌浆孔附近的粗糙凸起体对灌浆效率的影响大于远场的粗糙凸起体在裂隙灌浆工程实践中需要根据粗糙凸起体的分布来合理设计灌浆孔位置图 不同位置的粗糙凸起体.图 不同凸起体剪切速率分布特征.图 不同凸起体分布位置下相界面位置.人 民 长 江 年 结 论()利用 条标准轮廓线生成了一系列粗糙圆盘分析了裂隙几何特征及灌浆参数对辐射流动条件下浆液驱水过程的影响 恒定灌浆速率条件下相界面移动速率随时间逐渐减小浆液驱赶水相速度变慢孔口压力逐渐增大 粗糙凸起体会引起黏性耗能使流体剪切速率发生扰动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延长灌浆时间时裂隙中的浆液侵入量并不会随时间显著增大 提高灌浆压力比延长灌浆时间更加有效但压力过大会导致灌浆泵超载过小则不能有效增加侵入量 灌浆的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粗糙凸起体引起的剪切速率扰动本文研究初步探讨了理想圆盘中浆液辐射驱水效率下一步可以开展粗糙裂隙网络中灌浆效率研究参考文献:.:.施炎黄灿新黄孝泉等.乌东德水电站首次蓄水期坝基渗流控制效果评价.人民长江():.陈子银李志鹏樊丹丹.灌浆技术在大坝施工中的应用.人民长江(增):.杨龙徐海清李长冬等.武汉软土地区盾构施工地面沉降与注浆加固研究.人民长江():.施华堂牟荣峰肖碧.乌东德水电站灌浆工程参数化设计研究与应用.人民长江():.王瑞英朱等民郭炎椿.智能灌浆技术在乌东德水电站帷幕灌浆中的应用.人民长江(增):.:.:.():.:.:.:(.).(编辑:胡旭东)(.):.: