灌浆作为水利工程中广泛采用的地基加固技术,是解决坝基渗漏、跨流域长距离调水工程下伏采空区沉陷等问题的重要工程措施。然而,由于灌浆过程的隐蔽性,浆液在地层中的充填情况无法被直观的评定,灌浆的有效性和工程的稳定性无法被准确的判断。随着高坝工程、跨流域长距离调水工程等水利建设项目越来越多地向工程地质复杂多变的地区延伸,由于岩体内裂隙或者孔隙结构的不同,必然造成浆液流经的方式和途径不同,其中所涉及的地质建模理论和灌浆模拟理论也不同。目前水利工程灌浆模拟及稳定性分析面临着地质条件隐蔽、浆液扩散规律复杂、灌浆效果如何综合评价和灌浆稳定性如何分析等关键性问题,如何解决这些问题,是目前灌浆数值模拟所面临的挑战。因此本文依托水电站坝基灌浆工程和跨流域长距离调水工程下伏采空区灌浆工程,提出了基于三维精细地质模型的水利工程灌浆数值模拟及稳定性分析理论与方法,并就上述问题展开了深入的研究分析,取得了以下研究成果:1、针对当前裂隙灌浆模拟研究中没有建立能够反映实际岩体内裂隙随机分布情况的三维地质模型,且缺乏采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对浆液在三维裂隙网络内的流动扩散规律进行准确揭示的现状,提出了基于三维裂隙岩体地质模型的宾汉姆流体灌浆模拟理论与方法。已有关于裂隙内浆液扩散模拟的研究多数都集中于以单一裂隙或者规则的裂隙网络为研究对象,现有研究未建立能够反映实际岩体内裂隙随机分布情况的三维地质模型,无法有效反映岩体内复杂裂隙的真实特征,无法精细模拟浆液在三维裂隙网络内的扩散规律。针对上述问题,提出并建立了基于三维裂隙岩体地质模型的宾汉姆流体灌浆模拟分析的模型;其次,基于概率论和统计学理论,采用Monte Carlo随机模拟方法对裂隙的几何参数进行了模拟,建立了三维随机裂隙网络模型;再者,基于已建立的三维随机裂隙网络模型,采用三维N-S方程和宾汉姆流体模型,提出了基于三维裂隙岩体地质模型的宾汉姆流体灌浆数学模型;并采用多面体网格生成技术建立了三维裂隙岩体灌浆计算精细网格模型;最后,采用VOF方法,研究了宾汉姆浆液在复杂裂隙网络中的流动规律。2、针对现有多孔介质灌浆模拟研究中多以单个灌浆孔为研究对象,建立的地质模型精度较低的不足,并且未能获取浆液扩散范围内浓度场分布的现状,基于精细地质建模开展了多孔分序情况下的多孔介质灌浆模拟研究,分析了浆液扩散规律,为基于流固耦合理论的灌浆工程稳定性分析提供理论与基础。现有对多孔介质灌浆模拟的研究中大多以单个灌浆孔为研究对象,忽略了对实际灌浆工程中浆液在多孔分序下流动规律的研究,少有的采用多孔介质模型进行灌浆模拟的研究中建立的地质模型精度较低,没有将能反映实际复杂地质条件的三维精细地址模型直接应用到灌浆模拟中,并且缺乏对浆液扩散规律的研究。针对上述问题,开展了多孔分序情况下的多孔介质灌浆模拟研究。提出了基于三维精细地质模型的三维多孔介质灌浆模拟分析的数学模型;其次,通过将不同尺度和类型的数据源进行有效的整合,建立了包含地质构造模型以及水工建筑物模型的三维精细地质模型;再者,基于三维N-S方程和宾汉姆流体模型,建立了基于三维精细地质模型的多孔介质灌浆数学模型;最后,通过三维精细地质模型数据与CFD模型数据之间的耦合转化,建立三维多孔介质灌浆计算网格模型,实现了多孔介质内宾汉姆浆液的多孔分序渗透过程的模拟,通过对浆液在三维地质条件内流动扩散规律的研究,为基于流固耦合理论的灌浆工程稳定性分析提供了理论基础。3、针对当前灌浆效果评价中多为单因素评价,难以从渗透性和密实性两个角度做出综合评价,并且少数涉及灌浆效果综合评价的方法亦缺乏全面考虑灌浆效果评价中的不确定性问题的现状,提出了综合考虑模糊性、随机性的基于云模型的灌浆效果模糊综合评价研究。目前灌浆效果评价中多为单因素评价,难以描述不同检测结果之间的关联关系和灌浆工程的整体效果,缺乏同时从渗透性和密实性两个角度做出评价。此外,由于灌浆效果评价中各评价指标之间以及指标与评价结果之间的关系模糊,且指标与最终评价结果的关系并不明确,灌浆效果评价是一个存在多种不确定性的多指标综合评价问题,现有少数涉及灌浆效果综合评价的方法亦缺乏全面考虑灌浆效果评价中的不确定性。针对上述问题,提出了基于云模型的灌浆效果模糊综合评价理论与方法。首先,建立了灌浆效果综合评价的研究框架和数学模型;其次,在常规灌浆效果评价指标(透水率、声波波速、裂隙填充率)的基础上,引入了可灌性作为评价指标,构建了包括岩体渗透性和密实性在内的评价准则;再者,考虑到评价指标和结果之间关系模糊性、大量现场数据无法被揭露并且重要性标度和隶属度的确定易受主观因素的影响的问题,提出了基于云模型的灌浆效果模糊综合评价方法,将灌浆效果评价中的模糊性、随机性有机地结合起来;最后,由于仅仅依据单一的评价等级作为灌浆效果综合评价结果,难以全面真实地反映灌浆效果,引入了模糊熵作为灌浆效果综合评价的辅助参评量,从等级和复杂度两个层面构建二维评价结果,对灌浆效果进行了综合评价。和分析受到灌浆压力影响的现状,提出了基于流固耦合理论的灌浆工程稳定性分析理论与方法。4、针对现有水利灌浆工程稳定性分析中忽略了不同区域浆液浓度的差异性当前灌浆工程稳定性研究中,忽略了不同区域浆液浓度的差异性和灌浆压力的影响,灌浆充填体参数的选取多依据工程经验,影响了水利工程灌浆稳定性分析的准确性。针对上述问题,从流固耦合的力学机理出发,建立了灌浆工程的浆液和岩体的耦合分析模型:以跨流域长距离调水工程灌浆稳定性分析为例进行了研究。首先,基于流固耦合分析模型,将浆液浓度场数据应用于灌浆稳定性分析中,合理确定灌浆加固后形成的充填体的物理力学参数,并实现灌浆浆液压力的加载;其次,采用有限元方法,分析了多因素影响下的工程变形机理和变形特征,并详细讨论了灌浆工程上覆建筑物施工及运行全过程的应力及变形情况,为指导水利工程稳定性设计和施工提供了技术支持。本文采用裂隙介质、多孔介质灌浆模拟理论与方法、灌浆效果模糊综合评价方法,以及基于流固耦合理论的灌浆稳定性分析方法,以水电站坝基裂隙灌浆和跨流域长距离调水工程下伏采空区灌浆工程为例,进行了理论分析和应用研究,结果表明,本文提出的理论与方法能够为水利工程灌浆模拟、灌浆效果评价与稳定性分析提供理论基础与技术支撑。