三维随机裂隙坝基岩体灌浆数值模拟研究

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在水利水电工程中,大坝基岩内通常含有数量众多、随机分布的节理裂隙,这些裂隙构成地下渗流通道,威胁到水电站、水库以及下游地区人民的生命和财产安全。为了防止坝基渗漏,通常采用帷幕灌浆技术构建防渗帷幕。由于灌浆工程的隐蔽性和岩体裂隙分布的复杂性,目前裂隙岩体灌浆理论的研究仍滞后于工程实践的进展。随着计算机技术的发展,数值模拟技术逐步成为研究裂隙岩体灌浆问题的一种方法。开展裂隙岩体灌浆的数值模拟研究,对指导水电工程大坝基岩裂隙岩体灌浆工程具有重要理论与现实意义。针对裂隙岩体灌浆问题,基于浆液扩散数学模型,采用三维离散元数值模拟方法,进行裂隙灌浆系列数值模拟分析,研究成果如下:(1)提出裂隙岩体灌浆数学模型。根据浆液流变理论、N-S方程和流体连续性方程,给出牛顿浆液和宾汉姆浆液在裂隙内扩散的数学模型,并对影响浆液扩散规律的因素深入分析。通过引入粗糙度修正因子f和隙宽变形量Δu,分别给出考虑粗糙度的浆液扩散模型和考虑水力耦合作用的浆液扩散模型。(2)基于Monte-Carlo方法构建耦合灌浆孔的三维随机裂隙网络灌浆模型。根据某水电站厂房坝段的裂隙勘测资料,采用Monte-Carlo方法抽取5组随机模拟裂隙参数,根据“相对误差最小原则”得到最优模拟值组合,构建耦合灌浆孔的三维随机裂隙网络灌浆模型,包括单孔模型和多孔模型,并采用四面体有限差分网格技术,得到裂隙灌浆离散模型。(3)单裂隙灌浆数值模拟的参数敏感性分析和水力耦合分析。基于单裂隙特征模型,结合参数敏感性分析方法,研究了7个主要因素对模拟结果的影响规律,针对裂隙倾角、隙宽和灌浆压力3个因素进行了水力耦合和非耦合的对比分析,结果表明,浆液的单宽流量q对裂隙隙宽、浆液粘度、灌浆压力等敏感性较高,而隙宽变形量Δu对灌浆压力和大倾角裂隙敏感性较高;水力耦合作用对灌浆模拟结果的影响程度与相关影响因素的取值有关。(4)考虑隙宽随机分布的三维随机裂隙坝基岩体灌浆数值模拟分析。基于单孔灌浆模型,模拟水泥浆液的分级灌注,研究浆液在三维随机裂隙网络中的扩散规律。基于多孔灌浆模型,提出分序灌浆实现方法,研究孔序对浆液扩散的影响规律。通过模拟灌浆量和灌浆时间与实际值的对比分析,验证了方法的可用性。该方法可应用于类似帷幕灌浆工程,为科学地进行灌浆设计提供参考。
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