温度-水流耦合作用下裂隙岩体浆液运移扩散过程与堵水机制

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地下工程中常现的突/涌水灾害造成了大量的人员财产损失。注浆技术因其施工简单、安全可靠、经济成本低等诸多优势,已成为地下工程涌/突水灾害治理与预防的首选方案。针对现阶段温度-水流耦合作用下裂隙岩体注浆理论的不足之处,本文结合国内外的研究现状,以水泥-水玻璃混合双液注浆材料为研究对象,对温度、水流影响下浆液的工程力学属性、运移扩散规律进行深入研究,最后使用数值模拟实验模拟分析了注浆实例。研究成果可为地下工程注浆堵水工艺参数的选取以及效果评价提供技术支持和基础数据。(1)随温度上升,浆液粘度呈现出先上升后下降的趋势,且在环境温度为40℃时,浆液粘度最大。浆液胶凝时间随温度上升而减小。模拟注浆平台试验结果表明,随着注浆时间的增加,水泥-水玻璃浆液的扩散速度逐渐减缓。环境温度的上升,单位时间内浆液扩散的时间增加了约10%。在方向角从0°增加到180°的过程中,由于受到了动水压力的作用,浆液的扩散距离减小了17%-20%。(2)结合宾汉流体的粘度时变性方程,推导单一管状及平面裂隙下浆液运移扩散理论数学模型。对数学模型中注浆参数分析表明,注浆开始时,浆液在管状及平面裂隙中均扩散较快,浆液扩散较慢。注浆压力与扩散距离和扩散规律呈正相关,动水压力、浆液粘度等因素与浆液的扩散距离呈负相关。(3)通过比较室内试验获得的扩散半径数据和数学模型获得的理论计算值,验证浆液扩散的规律性。实验结果表明,数学模型推导结果略大于实际试验结果。其中,管状裂隙中的浆液扩散距离较实际试验结果的差异在3%-8%之间;平面裂隙中浆液扩散距离较实际试验结果的差异约为10%。较成功的验证了注浆模型的可行性。(4)针对注浆工程中常见的施工工艺,采用有限元数值分析软件进行注浆实例模拟计算,模拟注浆工程中岩层孔隙水压力场的变化情况,通过孔隙水压力场的变化,对注浆效果进行评价。模拟结果说明在浆液进入导水裂隙后,导水裂隙中孔隙水压力出现先下降后上升再下降的趋势,裂隙水存在区域显著减小。同时与实际工程中的对比表明,合理运用数学模型,可以对注浆工程进行更加精确的控制,经济效益显著上升。
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