CN103984807A - 耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利水电工程中大坝灌浆数值模拟领域，为实现精确的预测地质信息及裂隙信息、灌浆效果，提出一种能够精细模拟地质和裂隙信息，和灌浆工程紧密结合的灌浆数值模拟方法。为此，本发明采取的技术方案是，耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，包括三部分：灌浆施工过程动态监控与分析部分；建立预测地质与裂隙信息的三维精细地质模型，该模型与灌浆施工过程动态监控建立数据信息连接，能够随着监控信息的更新不断优化；最后耦合上述两部分数据信息，完成灌浆数值模拟。本发明主要应用于水利水电工程。

Description

耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法

技术领域

本发明涉及一种水利水电工程中耦合三维精细地质信息和灌浆监控信息的大坝灌浆数值模拟方法。特别涉及一种大坝坝基地质复杂，裂隙交错杂乱，地质信息与灌浆信息随灌浆过程的进行不断更新的情况下，能够实现准确模拟坝体复杂地质与裂隙信息并结合灌浆监控信息不断优化的大坝灌浆数值模拟方法。

技术背景

灌浆技术是使浆液结石体及采空区上部岩土层在灌浆后成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，从而达到改善采空区所在区域地层物理力学性质的目的，以满足各类土木建筑、岩土地基等的工程施工要求，灌浆技术被广泛地应用于地基工程、桩基工程、边坡工程、隧道工程和煤矿开采。目前研究灌浆技术的主要手段分为模型实验和数值模拟。灌浆数值模拟又包括浆液扩散过程的模拟、灌浆后岩层的稳定性模拟等方面，本发明主要解决水利水电灌浆工程中浆液的扩散及分布模拟方面的问题。

在国外，1956年，美国陆军工程兵团进行了单裂缝中浆液流动过程的模拟试验。Houlsby(1985)进行了单裂隙中浆液流动过程的模拟。M.J.Yang(2001)针对岩石裂隙产生的不确定性，采用蒙特卡罗法建立了多裂隙的岩石破碎带模型，将灌浆液作为宾汉姆流体处理，分别模拟了浆液在在单条和多条裂隙中的流动。Bolisetti.Tirupati(2003)提出了一个模拟多孔介质普通灌浆、帷幕灌浆的数值模型，该模型包括三维地下水径流渗透模型(MODFLOW)、三维多物质化学反应转移模型(RT3D)、浆液凝结模块组成。Sadrnejad.SA(2006)提出了固结灌浆中渗透系数的变化规律，建立了模拟浆液在多孔介质中渗透的模型。S.Maghous(2007)建立了耦合质量守恒方程和广义渗流方程的模型，该模型考虑了流体粘度的变化和孔隙率的变化。Fatiha Bouchelaghem(2009)首先进行了以细沙为多孔介质的渗透灌浆实验，并建立了模拟浆液渗透的二维和三维数值模型。Luo Ping-Ping(2010)基于多分数布朗运动下的分型理论，构建了四组不同正则化尺寸的断裂面，对单一随机孔径断裂的灌浆过程进行了数值模拟。

现代灌浆技术在我国的发展历史较短，五十年代开始应用于土建工程中，但发展较快，某些方面已达列世界先进水平。在灌浆数值模拟方面，郝哲(1999)利用蒙特卡罗(Monte Carlo)法模拟岩体裂隙分布，编制开发出一套反映裂隙岩体中灌浆扩散情况的计算机模拟程序。杨米加(2001)在裂隙结构模拟的基础上，建立了裂隙网络非牛顿流体的渗流模型，提出确定灌浆参数的一般方法。阮文军(2003)建立了岩体裂隙的稳定性浆液灌浆扩散模型，并开发了计算机程序，该程序可以计算任意时刻的灌浆扩散范围、裂隙内某点处灌浆压力随时间的变化情况。王万顺(2005)将采空区冒落带、断裂带看作均值各向同性的岩层，假定浆液在其中的运动服从达西定律和质量守恒定律，建立了三维渗流有限元模型。闫常赫(2008)基于渗透灌浆的基本理论，将浆液作为牛顿流体，建立以灌浆孔为中心的三维渗流牛顿流体轴对称模型。罗平平(2010)参考二维平行板间不可压缩粘性流体的运动方程，分析推导了宾汉浆夜在等宽光滑倾斜裂隙中的流动方程。许万忠(2010)建立了浆液在岩石节理中的渗透概化模型，分析了浆液渗透规律。湛铠瑜(2011)假定浆液流态为层流，推导建立了单一裂隙动水注浆扩散模型，对单一裂隙动水注浆扩散模型进行了编程。程鹏达(2011)通过单孔渗透注浆的数值模拟，研究了考虑渗流场与应力场条件下，粘性时变性流体在多孔介质中的扩散规律。

从国内外所开展的一系列研究和应用来看，灌浆数值模拟主要是针对单一裂隙或者几条裂隙，所采用的理论模型多为一二维，这与实际灌浆工程中复杂交错布置的裂隙情况或者大面积的多孔灌浆情况差别较大，而且地质和裂隙模型均是通过理论推导得出来的，鉴于地质条件和裂隙的复杂及不确定性，很难能够建立准确的地质及裂隙模型。此外，灌浆过程的技术方案是随着灌浆实际情况的变化而变化的，要求灌浆数值模拟模型和实际灌浆方案紧密结合，随着才能达到为灌浆工程服务的目的。

参考文献：

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发明内容

为克服现有技术的不足，实现精确的预测地质信息及裂隙信息、灌浆效果，提出一种能够精细模拟地质和裂隙信息，和灌浆工程紧密结合的灌浆数值模拟方法。为此，本发明采取的技术方案是，耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，包括三部分：灌浆施工过程动态监控与分析部分；建立预测地质与裂隙信息的三维精细地质模型，该模型与灌浆施工过程动态监控建立数据信息连接，能够随着监控信息的更新不断优化；最后耦合上述两部分数据信息，完成灌浆数值模拟。

1.提出灌浆施工过程动态监控与分析技术

(1)采用短距离无线网络技术和移动通信网络技术共同实现灌浆施工过程中的数据集中管理与传输；

(2)对于短距离无线网络技术，具体是将在局部的多台灌浆记录仪通过短距离无线网络组成局域网，局域网中的灌浆记录仪的灌浆数据和抬动数据实时传输到短距离无线网络协调器中，然后将数据传递到施工管理计算机中；

(3)对于移动通信网络技术，具体是将单个或者多个短距离无线网络中收集到的灌浆记录仪的数据，通过移动通信网络长距离发送到网络服务器中，经应用软件接收并解析各个短距离无线网络的数据后存储到数据库中，供施工管理人员通过互联网访问数据页面来达到查询和统计灌浆数据的目的；

(4)水利水电工程灌浆过程中产生的大量数据主要包括灌浆参数信息和检查参数信息，灌浆参数信息通过无线传输技术实时采集至数据库，检查参数通过Excel接口程序进行数据采集。

2.建立包括地质与裂隙的三维精细地质模型

(1)将水电工程地质数据分为确定性和统计性，对于确定性地质数据，采用三维混合数据结构，地质构造曲面和地质体的NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)构造技术实现三维模型构建；对于统计型地质数据，采用蒙特卡罗技术(Monte Carlo)对三维裂隙网络进行构建；

(2)针对三维地质模型与三维裂隙网络，基于布尔运算分析模型之间的空间位置关系，对重叠的地质体进行布尔差运算，从而实现各类地质模型在空间位置上的耦合；

(3)结合灌浆监控信息，提取新增实测钻孔录像、岩芯照片的地质信息，用实测二维地质剖面线代替地质模型中相同位置的模拟地质剖面线，结合原有的确定性地质数据，实现岩层、断层、风化层、软弱夹层的三维模型的动态更新；

(4)基于实测裂隙信息，对蒙特卡罗模拟得出的裂隙几何参数进行优化，通过动态校核技术，动态校核裂隙三维网络模型，从而实现三维网络裂隙模型的动态更新。

3.耦合三维精细地质模型和灌浆监控信息的数值模拟方法

(1)基于建立的包含复杂地层信息的三维地质模型，通过计算流体力学(ComputationalFluid Dynamics，简称CFD)软件的数据接口，将包含复杂地质信息和裂隙信息的地质数据耦合转化为计算流体力学模型数据，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立网格模型，实现真实复杂地质信息在计算流体力学软件计算模型中的精确表达；

(2)建立宾汉姆流体三维灌浆数值模拟模型-混合模型，该模型是把浆液和颗粒混合物作为整体来考虑的，其宾汉姆流体本构方程、连续性方程、动量方程、k-ε紊流封闭方程、混合速度方程和混合密度方程共同构成了该模型的基本方程，模型的灌浆参数包括孔隙率、粘度、岩体特性、空隙分布均来三维地质信息模型，并随着监控信息的更新不断实时调整灌浆参数与计算网格模型，实现与现场灌浆工程施工情况的无缝紧密结合，精确模拟灌浆效果；其中连续性方程、动量方程是主要流体流动控制方程，k-ε紊流方程为选取的紊流封闭方程，本构方程主要体现宾汉姆流体的特性，混合速度和密度方程体现注浆液中混凝土颗粒和水的混合速度和密度；

(3)该模型的边界条件包括：

1)进口边界条件：根据实际工程确定宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，上述三个变量与灌浆监控系统实时连接，随监控信息的更新不断调整进口边界条件；根据工程设计的I、II序孔，定义相应的两类进口条件，进行I、II序孔的分序注浆；

2)出口条件：即压力边界，按局部单向化处理，在计算域的边界上，压力应满足诺依曼(Neumann)边界条件，即第二类边界条件，该边界条件与灌浆监控系统实时连接，随监控信息的更新不断调整出口边界条件；

3)固体壁面边界条件：按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁面函数法；

(4)该模型在确定基本控制方程和边界条件的设置与相关参数后，通过有限体积法进行离散，SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法进行求解，最终实现耦合三维精细地质信息与灌浆监控信息的三维灌浆数值模拟。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

(1)采用NURBS构造技术建立三维精细地质模型，采用蒙特卡罗技术对三维裂隙网络进行构建，并通过布尔运算分析实现地质模型与裂隙网络的耦合，实现了对三维裂隙网络的建模。

(2)结合灌浆实时监控的信息，实现了对三维精细地质模型与裂隙网络模型的更新与优化，与工程实际地质更加符合。

(3)实现了包含复杂地质信息和裂隙信息的地质数据与计算流体力学模型数据之间的转化与动态更新，建立了裂隙网格模型，实现了真实复杂地质信息在计算流体力学软件计算模型中的精确表达。

(4)提出了耦合地质信息与监控信息的宾汉姆流体三维灌浆数值模拟方法，通过模型参数与监控信息的连接，能够动态的模拟现场灌浆情况，更加符合实际，应用更加灵活，应用范围更广。

附图说明

图1总体技术流程；

图2灌浆施工过程动态监控系统总体部署；

图3工程地质三维精细建模总体结构；

图4模拟裂隙面网络的动态校核。

具体实施方式

针对上述目的，本发明构建了一种能够耦合精细地质信息、裂隙信息、灌浆实时监控信息的灌浆数值模拟方法，其能够随着上述信息的不断更新而不断优化，达到准确预测灌浆信息与灌浆效果的目的，为水利水电灌浆工程提供指导。

本发明主要包括三个部分，本发明首先提出了旨在通过对于灌浆施工过程的动态监控与实时分析的灌浆施工过程动态监控与分析技术；然后建立了能够较为精确预测地质与裂隙信息的三维精细地质模型，该模型与灌浆监控系统建立数据信息连接，能够随着监控信息的更新不断优化；最后耦合上述两部分数据信息，提出了能够随着相关参数的更新不断优化的灌浆数值模拟方法。具体步骤如下：

1.提出灌浆施工过程动态监控与分析技术

(1)采用短距离无线网络技术和移动通信网络技术(GPRS,EDGE,WCDMA,EVDO)共同实现灌浆施工过程中的数据集中管理与传输。

(2)对于短距离无线网络技术，具体是将在局部的多台灌浆记录仪通过短距离无线网络组成局域网，局域网中的灌浆记录仪的灌浆数据和抬动数据实时传输到短距离无线网络协调器中，然后将数据传递到施工管理计算机中。

(3)对于移动通信网络技术，具体是将单个或者多个短距离无线网络中收集到的灌浆记录仪的数据，通过移动通信网络长距离发送到网络服务器中，经应用软件接收并解析各个短距离无线网络的数据后存储到数据库中，供施工管理人员通过互联网访问数据页面来达到查询和统计灌浆数据的目的。

(4)水利水电工程灌浆过程中产生的大量数据主要包括灌浆参数信息和检查参数信息，灌浆参数信息通过无线传输技术实时采集至数据库，检查参数通过Excel接口程序进行数据采集。

2.建立包括地质与裂隙的三维精细地质模型

(1)将水电工程地质数据分为确定性和统计性，对于确定性地质数据，采用三维混合数据结构，地质构造曲面和地质体的NURBS构造技术实现三维模型构建；对于统计型地质数据，采用蒙特卡罗(见参考文献[8])技术对三维裂隙网络进行构建。

(2)针对三维地质模型与三维裂隙网络，基于布尔运算分析模型之间的空间位置关系，对重叠的地质体进行布尔差运算，从而实现各类地质模型在空间位置上的耦合。

(3)结合灌浆监控信息，提取新增实测钻孔录像、岩芯照片的地质信息，将上述信息表现为实测的二维地质剖面线以及裂隙的几何参数，用实测二维地质剖面线代替地质模型中相同位置的模拟地质剖面线，结合原有的确定性地质数据，采用三维混合数据结构，地质构造曲面和地质体的NURBS构造技术，实现岩层、断层、风化层、软弱夹层的三维模型的动态更新；

(4)基于实测裂隙信息，对蒙特卡罗模拟得出的裂隙几何参数进行优化，通过动态校核技术，动态校核裂隙三维网络模型，从而实现三维网络裂隙模型的动态更新。

3.耦合三维精细地质模型和灌浆监控信息的数值模拟方法

(1)基于建立的包含复杂地层信息的三维精细地质模型，通过计算流体力学软件的数据接口，将包含复杂地质信息和裂隙信息的地质数据耦合转化为计算流体力学模型数据，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立网格模型，实现了真实复杂地质信息在计算流体力学软件计算模型中的精确表达。

(2)水利水电灌浆工程中的浆液一般为宾汉姆流体，本发明建立了宾汉姆流体三维灌浆数值模拟模型-混合模型。该模型是把浆液和颗粒混合物作为整体来考虑的，其宾汉姆流体本构方程、连续性方程、动量方程、k-ε紊流封闭方程、混合速度方程和混合密度方程共同构成了该模型的基本方程，模型的灌浆参数包括孔隙率、粘度、岩体特性、空隙分布均来自三维地质信息模型，并随着监控信息的更新不断实时调整灌浆参数与计算网格模型，实现与现场灌浆工程施工情况的无缝紧密结合，精确模拟灌浆效果。其中连续性方程、动量方程是主要流体流动控制方程，k-ε紊流方程为选取的紊流封闭方程，本构方程主要体现宾汉姆流体的特性，混合速度和密度方程体现注浆液中混凝土颗粒和水的混合速度和密度。

(3)该模型的边界条件包括：

1)进口边界条件：根据实际工程确定宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，上述三个变量与灌浆监控系统实时连接，随监控信息的更新不断调整进口边界条件；根据工程设计的I、II序孔，定义相应的两类进口条件，进行I、II序孔的分序注浆。

2)出口条件：即压力边界，按局部单向化处理，在计算域的边界上，压力应满足诺依曼边界条件，即第二类边界条件，该边界条件与灌浆监控系统实时连接，随监控信息的更新不断调整出口边界条件。

3)固体壁面边界条件：按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁面函数法。

(4)该模型在确定基本控制方程和边界条件的设置与相关参数后，通过有限体积法进行离散，SIMPLE算法进行求解，最终实现耦合三维精细地质信息与灌浆监控信息的三维灌浆数值模拟。

本发明构建了一种能够耦合精细地质信息，裂隙信息、灌浆实时监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，首先提出了灌浆施工过程动态监控与分析技术；然后建立了能够较为精确预测地质与裂隙信息的三维精细地质模型；最后提出了耦合上述两部分数据信息、能够随着相关参数的更新不断优化的灌浆数值模拟方法。其总体技术流程如图1，最佳实施方式如下：

1.建立灌浆施工过程动态监控系统

(1)组网方案

本发明采用短距离无线网络技术和移动通信网络技术(GPRS,EDGE,WCDMA,EVDO)相结合的组网方案，两种无线网络共同实现灌浆施工过程中的数据集中管理与传输，其灌浆施工过程动态监控系统总体部署如图2所示。

短距离无线网络：将在局部的多台灌浆记录仪通过短距离无线网络组成局域网，局域网中的灌浆记录仪的灌浆数据和抬动数据实时传输到短距离无线网络协调器中，然后将数据传递到施工管理计算机中。该网络具有覆盖面积大、自组网络的优点，即局域网中的灌浆记录仪可以随时加入、退出网络。

移动通信网络：将单个或者多个短距离无线网络中收集到的灌浆记录仪的数据，通过移动通信网络长距离发送到网络服务器中，经应用软件接收并解析各个短距离无线网络的数据后存储到数据库中，供施工管理人员通过互联网访问数据页面来达到查询和统计灌浆数据的目的。

在灌浆施工中，现场使用的网络报警器为典型的短距离无线网络；灌浆施工廊道内的无线网络架设亦为典型的短距离无线网络。将现场的短距离无线网络，经安置在现场的发射器发送到公网内，并接收、存储在系统服务器内。

(2)无线组网

无线自组网技术采用多跳自组织的方式，加大了传输距离，扩大了传输范围，能够保证在无第三方通信网络覆盖的灌浆施工区域实现灌浆数据数据稳定上传，能适应复杂的地形环境。水电站坝基、地下厂房项目灌浆部位往往地形复杂，设备移动频繁，通过人工有线组网的方式工作量大且不安全，网络覆盖面有限，所以很适合采用自组网技术。

(3)系统采集数据

1)水利水电工程灌浆过程中产生的大量灌浆数据包括以下两个方面：a)灌浆参数信息：主要包括单位注灰量、灌浆压力、水灰比、灌浆量、注灰量、涌水量、抬动值；b)检查参数信息：主要包括检查孔的压水信息、抬动孔灌前声波信息、检查孔的灌后声波信息以及声波图片、岩芯图片、钻孔录像图片。

灌浆参数信息通过无线传输技术实时采集至数据库，检查参数通过Excel接口程序进行数据采集。

2)系统采用B/S结构，通过Web实现对系统的访问，系统以网页的形式实现成果的输出。

2.建立包括地质与裂隙的三维精细地质模型

(1)基于水电工程地质构造特点，将地质数据分为确定性和统计性两类数据，确定性数据用于构建空间位置确定、分布范围广的结构面，基于确定性地质数据，采用三维混合数据结构，地质构造曲面和地质体的NURBS构造技术，实现岩层、断层、风化层、软弱夹层的三维模型构建。

(2)统计性数据用于构建具有分布数量多、分布形式多呈现随机性的裂隙模型，其模型构建主要包括以下7个步骤：1)确定采样区域，根据实际采样区域内裂隙的产状进行有效的分组；2)确定每组裂隙的数量和密度；3)确定每组裂隙迹长、间距、产状等几何参数所服从的概率模型；4)利用蒙特卡罗方法生成一系列模拟参数，并验证生成的结果满足预期的概率模型；5)生成每组裂隙的三维裂隙网络模型；6)剖切裂隙模型，对每组裂隙迹长、间距的参数进行校核，保证其与预设值向一致；7)生成初步三维网络模型。

(3)针对确定性数据与统计性数据，基于布尔运算分析地质模型与裂隙模型之间的空间位置关系，对重叠的地质体进行布尔差运算，从而实现各类地质模型在空间位置上的耦合，工程地质与裂隙的三维精细建模总体结构如图3所示。

3.动态更新三维地质模型与裂隙模型

(1)由于新增的钻孔录像和岩芯图片为图片格式，为了保证这些信息能够用来更新地质模型和裂隙模型，需要对这些信息进行数字化处理。首先提取钻孔录像和岩芯图片揭露的裂隙和岩性分布，包括裂隙的分布高程、走向、倾向、倾角、隙宽，岩层、断层、风化层、软弱夹层的分布高程。其次将上述信息建立对应的地质信息库。最终将数据库中的信息表现为实测的二维地质剖面线以及裂隙的几何参数。

(2)用实测二维地质剖面线代替地质模型(步骤1地质模型)中相同位置的模拟地质剖面线，结合原有的确定性地质数据，包括地形等高线、地质点资料、遥感图像、钻孔、平硐及物探信息，采用三维混合数据结构，地质构造曲面和地质体的NURBS构造技术，实现岩层、断层、风化层、软弱夹层的三维模型的动态更新。

(3)将实测裂隙几何参数作为蒙特卡罗模拟的新增样本数据，结合原有的样本，采用步骤1-(3)的方法，再次模拟裂隙的三维网络。

(4)基于实测裂隙几何参数，建立实测裂隙三维模型，通过动态校核技术，将实测裂隙与模拟裂隙模型进行动态校核，在校核过程中采用分组方式，每组裂隙采用最近原则，即同组裂隙中，模拟裂隙用与之中心点距离最近的实测裂隙代替，在同组实测裂隙与模拟裂隙动态校核时可能有三种情况：1)实测裂隙多余模拟裂隙；2)实测裂隙等于模拟裂隙；3)实测裂隙小于模拟裂隙；第一种情况保留剩余实测裂隙，第二种情况耦合完毕，第三种情况，通过调整裂隙的几何位置保证模拟裂隙不在揭露面揭示即可，裂隙面网络的动态校核流程如图4所示。

4.建立耦合三维地质和裂隙模型的灌浆三维数值模拟方法

(1)建立耦合三维地质和裂隙模型数据的网格模型

将前述的包括地质和裂隙的三维精细地质模型转化成.igs/.stl的数据格式，通过计算流体力学软件的数据接口，将包含地质和裂隙数据的.igs/.stl格式文件导入到计算流体力学软件中，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立模型。在全局选用较大的长度，生成与计算区域边界重合的、疏密程度不均匀的曲线网格，使得网格的边界与计算区域边界一一对应。

(2)采用三维宾汉姆流体k-ε紊流封闭数学模型进行灌浆动态数值模拟

宾汉姆流体和颗粒相为混合均匀的连续介质，其流动采用混合模型，混合模型是把两相混合物作为整体来考虑的，采用标准k-ε紊流模型使方程组封闭。其基本方程包括宾汉姆流体连续性方程、动量方程、本构方程、k-ε紊流封闭方程、混合速度方程和混合密度方程，具体形式如下：

在圆柱轴对称坐标系下，宾汉姆流体的控制方程表示为(表3-1是φ相对应的广义扩散系数与扩散源相，其φ取不同参数时分别为连续性方程和动量方程)：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\ρw\φ}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{r\ρu\φ}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{r\ρv\φ}\right)=\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\Γ}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\Γr}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\Γ}}{r}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂\mathrm{\θ}}\right)+S$

表3-1 φ对应的广义扩散系数与扩散源相

式中：Γ为广义扩散系数，cm²/s；φ为任一输运量，分别是1、Y_m、u、v、w，k和ε。φ＝1表示连续性方程；Y_m为混合流体内组分m的质量分数，无因次；u、v、w分别为圆柱坐标系下径向、角度、高度三个方向上的速度，m/s；t为时间，s；z、r、θ分别代表圆柱坐标系的径向、角度、高度三个方向；ρ为宾汉姆流体的密度kg/m³；μ_e为紊流状态下的宾汉姆流体浆液粘度，Pa·s；σ_Y为宾汉姆流体的湍动能耗散Prandtl数，无因次；k为紊动动能，m²/s²；ε为紊动耗散率，m²/s³；μ为宾汉姆流体的表观粘度，Pa.s；μ_t为宾汉姆流体的紊流粘性系数，无因次；S为方程的源相；S_m为质量分数为m时的源项；P为压力，Pa；S_u、S_v、S_w分别为径向、角度、高度三个方向的源项；c_μ为湍流常数，取值为0.99；G为无量纲参数；K、c₁、c₂、σ_k、σ_ε为经验常数，取值分别为0.4、1.44、1.92、1.0、1.3。

宾汉姆流体本构方程：

$\mathrm{\τ}=\mathrm{\μ}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})$

式中，τ为偏应力张量；μ为宾汉姆流体的表观粘度，表示为冒号代表两个字符之间的比号；η_b和τ₀分别是宾汉姆流体的塑性粘度和屈服应力，Pa·s，Pa；A为应变率张量， $A=\frac{\∂u_i}{\∂z_j}+\frac{\∂u_j}{\∂z_i},$ 即：

$\mathrm{\μ}={\mathrm{\η}}_b+{\mathrm{\τ}}_0/{\left\{2\right[{\left(\frac{\∂u}{\∂z}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂r}\right)}^2+{(\frac{\∂w}{r\∂\mathrm{\θ}}+\frac{v}{r})}^2]+{(\frac{\∂u}{\∂r}+\frac{\∂v}{\∂z})}^2+{(\frac{\∂w}{\∂z}+\frac{\∂u}{r\∂\mathrm{\θ}})}^2+{(\frac{1}{r}\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\θ}}+\frac{\∂w}{\∂r}-\frac{w}{r})}^2\}}^{\frac{1}{2}}$

混合密度方程：

${\mathrm{\ρ}}_m=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\ρ}}_i$

混合速度方程：

${\stackrel{\→}{v}}_m=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\ρ}}_i{\stackrel{\→}{v}}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\ρ}}_i}$

式中：α为体积分数，无因次；为速度矢量，m/s；下标i表示相。

(3)边界条件

1)进口边界条件：根据实际工程确定宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，各变量取均匀分布；根据工程设计的I、II序孔，定义两类参数相同的进口条件，在Ⅰ序孔灌浆结束之后，通过自编程序解决Ⅰ序孔浆液的固结问题，基于实际工程进行I、II序孔的分序注浆。

2)出口条件：即压力边界，按局部单向化处理，在计算域的边界上，压力应满足诺依曼边界条件，即第二类边界条件。

3)固壁边界条件：按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁函数方法。

壁面处网格节点速度：

$u^{+}=\left\{\begin{array}{cc}{y}^{+},& y^{+}\≤y_m^{+}\\ \frac{1}{\mathrm{\κ}}\ln \left({\mathrm{Ey}}^{+}\right),& y^{+}>y_m^{+}\end{array}\right.$

湍流参数满足： $\left\{\begin{array}{c}{k}^{+}=C_{\mathrm{\μ}}^{-1/2}\\ {\mathrm{\ϵ}}^{+}=\frac{C_{\mathrm{\μ}}^{3/4}}{\mathrm{\κ}}\end{array}\right.$

式中：u⁺等于(u-u_w)/u_τ，u_τ等于(τ_w/ρ)^1/2，其中u为流体切线速度，m/s；u_w为壁面切线速度，m/s；τ_w为壁面的剪应力，Pa；y⁺等于y为边界层内网格节点和壁面间的距离；E、κ分别为经验系数和卡门常数，无因次；满足 $y_m^{+}-\frac{1}{\mathrm{\κ}}\ln \left(E{y}_m^{+}\right)=0.$

5.动态更新灌浆三维数值模型

(1)动态更新耦合三维地质和裂隙模型数据的网格模型

基于灌浆施工过程动态监控系统，所建立的三维地质和裂隙模型随着灌浆过程的进行不断更新，具体实施步骤见(3.动态更新三维地质模型与裂隙模型)。当三维地质和裂隙模型更新完成后，将新的三维地质与裂隙模型转化成.igs/.stl的数据格式，通过计算流体力学软件的数据接口，将包含地质和裂隙数据的.igs/.stl格式文件导入到计算流体力学软件中，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立网格模型。

(2)动态更新耦合三维地质和裂隙模型数据的数值模拟模型

灌浆监控系统可以获取灌浆施工过程中浆液的粘度和浓度，本发明在上述两个参数和数值模拟模型的两参数之间建立对应连接关系，即浆液粘度对应宾汉姆流体本构方程的μ、浆液浓度对应混合密度方程和混合速度方程中的α，随着参数的更新，数值模拟模型中这两个参数也不断更新，使计算结果更加精确，计算更加符合工程实际。

(3)动态更新耦合三维地质和裂隙模型数据的边界条件

灌浆施工过程中的灌浆压力和灌浆量均被灌浆监控系统实时获取，储存在数据库中，本发明将灌浆监控系统的灌浆压力、灌浆量两类数据和灌浆数值模拟的进口边界条件建立连接关系，进口速度对应灌浆量，进口压力对应灌浆压力，实现了灌浆边界条件随着灌浆过程的实时更新。

Claims (4)

1.一种耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，其特征是，包括三部分：灌浆施工过程动态监控与分析部分；建立预测地质与裂隙信息的三维精细地质模型，该模型与灌浆施工过程动态监控建立数据信息连接，能够随着监控信息的更新不断优化；最后耦合上述两部分数据信息，完成灌浆数值模拟。

2.如权利要求1所述的耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，其特征是，提出灌浆施工过程动态监控与分析具体为：

(1)采用短距离无线网络技术和移动通信网络技术共同实现灌浆施工过程中的数据集中管理与传输；

(2)对于短距离无线网络技术，具体是将在局部的多台灌浆记录仪通过短距离无线网络组成局域网，局域网中的灌浆记录仪的灌浆数据和抬动数据实时传输到短距离无线网络协调器中，然后将数据传递到施工管理计算机中；

(3)对于移动通信网络技术，具体是将单个或者多个短距离无线网络中收集到的灌浆记录仪的数据，通过移动通信网络长距离发送到网络服务器中，经应用软件接收并解析各个短距离无线网络的数据后存储到数据库中，供施工管理人员通过互联网访问数据页面来达到查询和统计灌浆数据的目的；

(4)水利水电工程灌浆过程中产生的大量数据主要包括灌浆参数信息和检查参数信息，灌浆参数信息通过无线传输技术实时采集至数据库，检查参数通过Excel接口程序进行数据采集。

3.如权利要求1所述的耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，其特征是，建立包括地质与裂隙的三维精细地质模型具体为：

(1)将水电工程地质数据分为确定性和统计性，对于确定性地质数据，采用三维混合数据结构，地质构造曲面和地质体的NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)构造技术实现三维模型构建；对于统计型地质数据，采用蒙特卡罗技术(Monte Carlo)对三维裂隙网络进行构建；

(2)针对三维地质模型与三维裂隙网络，基于布尔运算分析模型之间的空间位置关系，对重叠的地质体进行布尔差运算，从而实现各类地质模型在空间位置上的耦合；

(3)结合灌浆监控信息，提取新增实测钻孔录像、岩芯照片的地质信息，用实测二维地质剖面线代替地质模型中相同位置的模拟地质剖面线，结合原有的确定性地质数据，实现岩层、断层、风化层、软弱夹层的三维模型的动态更新；

(4)基于实测裂隙信息，对蒙特卡罗模拟得出的裂隙几何参数进行优化，通过动态校核技术，动态校核裂隙三维网络模型，从而实现三维网络裂隙模型的动态更新。

4.如权利要求1所述的耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，其特征是，耦合三维精细地质模型和灌浆监控信息的数值模拟方法具体为：

(1)基于建立的包含复杂地层信息的三维地质模型，通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)软件的数据接口，将包含复杂地质信息和裂隙信息的地质数据耦合转化为计算流体力学模型数据，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立网格模型，实现真实复杂地质信息在计算流体力学软件计算模型中的精确表达；

(2)建立宾汉姆流体三维灌浆数值模拟模型-混合模型，该模型是把浆液和颗粒混合物作为整体来考虑的，其宾汉姆流体本构方程、连续性方程、动量方程、k-ε紊流封闭方程、混合速度方程和混合密度方程共同构成了该模型的基本方程，模型的灌浆参数包括孔隙率、粘度、岩体特性、空隙分布均来三维地质信息模型，并随着监控信息的更新不断实时调整灌浆参数与计算网格模型，实现与现场灌浆工程施工情况的无缝紧密结合，精确模拟灌浆效果；其中连续性方程、动量方程是主要流体流动控制方程，k-ε紊流方程为选取的紊流封闭方程，本构方程主要体现宾汉姆流体的特性，混合速度和密度方程体现注浆液中混凝土颗粒和水的混合速度和密度；

(3)该模型的边界条件包括：

1)进口边界条件：根据实际工程确定宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，上述三个变量与灌浆监控系统实时连接，随监控信息的更新不断调整进口边界条件；根据工程设计的I、II序孔，定义相应的两类进口条件，进行I、II序孔的分序注浆；

2)出口条件：即压力边界，按局部单向化处理，在计算域的边界上，压力应满足诺依曼(Neumann)边界条件，即第二类边界条件，该边界条件与灌浆监控系统实时连接，随监控信息的更新不断调整出口边界条件；

3)固体壁面边界条件：按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁面函数法；

(4)该模型在确定基本控制方程和边界条件的设置与相关参数后，通过有限体积法进行离散，SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法进行求解，最终实现耦合三维精细地质信息与灌浆监控信息的三维灌浆数值模拟。