CN116127859A - 一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法及系统，包括：设计高温动水作用下的浆液粘度表征模型，通过注入时长传输方程得到不同时刻浆液注入时长，以得到不同时刻的浆液注入时间场，通过温度方程得到不同位置的浆液在高温热水作用下的温度变化规律，以得到不同时刻的浆液温度场，通过粘度更新方程不断更新裂隙岩体高温动水注浆过程中不同时刻的浆液粘度场，从而揭示高温动水注浆全过程模拟中浆液粘度时空演化特征，解决裂隙介质高温动水注浆过程中的浆液粘度随注入时间和温度变化导致的不均匀分布问题，刻画高温作用下浆液的凝结固化过程。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
隧道等地下工程建设过程中经常面临突涌水等地质灾害。注浆是治理地下工程突涌水灾害的有效手段之一。随着地下工程建设向偏远山区和复杂地质条件延伸，施工经常面临高地温等复杂环境。地下水经深部高温岩体加热后形成高温泉水或蒸汽从而造成高温突涌水害，局部水温甚至达到99℃以上。高温水害严重威胁人身安全、制约地下工程的施工。同时，灌浆材料的渗透性和物理化学性质将受到高温条件的显著影响，导致不同于常温下的流动和固化特性，从而影响注浆工程的封堵、加固效果。现阶段，鲜有针对高温动水注浆扩散规律的研究，研究高地温环境下动水封堵机理对于高地温隧道的突水灾害治理具有重要的工程和应用价值。
此外，由于被注介质的复杂性和不确定性，现有动水注浆理论的发展还处于不成熟阶段，与实际差别较大，所得的结论难以为注浆设计与施工提供精确指导。数值模拟方法不受被注介质的影响，可以实现注浆过程的可视化分析，从而逐渐成为研究动水注浆的有效手段。
然而，由于动水注浆是一个极其复杂的多相流动和固化相变过程，相关数值计算方法存在局限性。尤其是对于浆液性质的处理，浆液作为一种特殊的流体，除了具有流动性以外，还具有凝固性的属性，完全依赖理论求解难，甚至不可能得到期望的解析结果。
现有方法通常通过粘度来描述其凝固属性，通过粘度时变性质间接考虑凝固过程。首先，浆液粘度具有时变性，这便造成了注入浆液粘度时空分布不均匀的特性；其次，发明人在研究中发现，浆液的粘度会随着温度变化而变化，对于高地温环境下的注浆工程，浆液温度会在高温热水的作用下升高，进而导致了浆液粘度的变化。
因此，高地温环境下裂隙岩体动水注浆过程中浆液粘度是随着时间和温度同时变化的，现有研究缺乏准确描述浆液粘度这一变化规律的数值模拟方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法及系统，基于双流体模型构建浆水两相流模型，通过注入时长的传输方程刻画浆液注入时间变化规律，通过温度方程描述浆水温度变化过程，进而实现裂隙岩体动水注浆过程中粘液粘度时间-温度演化规律的精细化描述，从而实现动水注浆全过程模拟。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，包括：
构建裂隙岩体的高温动水注浆模型，并初始化高温动水注浆模型的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态、浆液温度和浆液粘度；
根据上一时间步的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态和浆液粘度得到预测注浆速度；
根据预测注浆速度得到注浆压力，根据注浆压力得到注浆速度，迭代计算，直至达到迭代次数后，得到当前时间步的注浆压力和注浆速度；
根据当前时间步的注浆速度得到当前时间步的浆液扩散形态；
根据当前时间步的注浆速度构建离散的注入时间传输方程和温度方程，以分别得到当前时间步的浆液注入时长和浆液温度；
根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律得到当前时间步的浆液粘度；
直至达到最终注浆时间步，以完成高温动水注浆的模拟。
作为可选择的实施方式，所述温度方程为：
其中，K为浆液温度，ux、uy、uz为浆水平均速度的三个分量，DK表示扩散系数。
作为可选择的实施方式，通过温度方程进行离散化迭代求解，得到不同位置的浆液在高温热水作用下的温度变化规律，以得到不同时刻的浆液温度。
作为可选择的实施方式，根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律构建粘度更新方程，以根据粘度更新方程得到浆液粘度。
作为可选择的实施方式，所述粘度更新方程为：
μs＝f(T,K)
其中，K为浆液温度，T为浆液注入时长，μs为浆液粘度。
作为可选择的实施方式，根据实际注浆工程的地质情况或模型试验的模型尺寸，结合注浆模拟的工况要求，构建裂隙岩体被注介质的高温动水注浆模型，并对裂隙岩体的高温动水注浆模型进行流体力学网格的划分，以进行高温动水注浆过程的离散求解。
作为可选择的实施方式，通过对注入时长的传输方程进行离散化迭代求解，得到不同时刻浆液注入时长，所述注入时长的传输方程为：
其中，T为浆液注入时长，ux、uy、uz为浆水平均速度的三个分量。
第二方面，本发明提供一种裂隙岩体高温动水注浆模拟系统，包括：
初始化模块，被配置为构建裂隙岩体的高温动水注浆模型，并初始化高温动水注浆模型的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态、浆液温度和浆液粘度；
速度预测模块，被配置为根据上一时间步的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态和浆液粘度得到预测注浆速度；
压力与速度模拟模块，被配置为根据预测注浆速度得到注浆压力，根据注浆压力得到注浆速度，迭代计算，直至达到迭代次数后，得到当前时间步的注浆压力和注浆速度；
浆液扩散形态模拟模块，被配置为根据当前时间步的注浆速度得到当前时间步的浆液扩散形态；
浆液温度模拟模块，被配置为根据当前时间步的注浆速度构建注入时长传输方程和温度方程，以分别得到当前时间步的浆液注入时长和浆液温度；
浆液粘度模拟模块，被配置为根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律得到当前时间步的浆液粘度，直至达到最终注浆时间步，以完成高温动水注浆的模拟。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法及系统，基于双流体模型构建浆水两相流模型，通过注入时长的传输方程刻画浆液注入时间变化规律，通过温度方程描述浆水温度变化过程，进而实现裂隙岩体动水注浆过程中粘液粘度时间-温度演化规律的精细化描述，从而实现动水注浆全过程模拟。
本发明提出一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法及系统，针对高地温环境下突涌水灾害的注浆治理，充分发挥数值模拟的直观性和便利性，基于有限体积法的基本原理，结合双流体模型在两相流模拟中的优势，实现了裂隙岩体高温动水注浆全过程的压力-速度-温度可视化模拟，是一种高效且新颖的动水注浆模拟方法，模拟结果可以为高地温环境下水害治理工程的注浆参数优化、浆液选型等提供一定程度的理论指导和设计思路。
本发明提出一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法及系统，设计了高温动水作用下的浆液粘度表征模型，通过注入时长传输方程得到不同时刻浆液注入后的时间间隔，以得到不同时刻的浆液注入时间场，通过温度方程得到不同位置的浆液在高温热水作用下的温度变化规律，以得到不同时刻的浆液温度场，通过粘度更新方程不断更新裂隙岩体高温动水注浆过程中不同时刻的浆液粘度场，从而揭示高温动水注浆全过程模拟中浆液粘度时空演化特征，解决裂隙介质高温动水注浆过程中的浆液粘度随注入时间和温度变化导致的不均匀分布问题，刻画高温作用下浆液的凝结固化过程。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的裂隙岩体高温动水注浆模拟方法框图；
图2为本发明实施例1提供的裂隙岩体高温动水注浆模拟方法流程图；
图3为本发明实施例1提供的不同时刻的裂隙岩体高温动水注浆过程中浆液扩散特征示意图；
其中，1、裂隙岩体动水进口，2、裂隙岩体动水出口，3、浆液注入口，4、不同时刻的浆液扩散形态，5、裂隙上下壁面，6、裂隙岩体被注介质。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，如图1-图2所示，包括：
构建裂隙岩体的高温动水注浆模型，并初始化高温动水注浆模型的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态、浆液温度和浆液粘度；
根据上一时间步的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态和浆液粘度得到预测注浆速度；
根据预测注浆速度得到注浆压力，根据注浆压力得到注浆速度，迭代计算，直至达到迭代次数后，得到当前时间步的注浆压力和注浆速度；
根据当前时间步的注浆速度得到当前时间步的浆液扩散形态；
根据当前时间步的注浆速度构建注入时长传输方程和温度方程，以分别得到当前时间步的浆液注入时长和浆液温度；
根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律得到当前时间步的浆液粘度；
直至达到最终注浆时间步，以完成高温动水注浆的模拟。
如图3所示，本实施例以平板裂隙注浆过程为例，可以理解的，本实施例还可应用粗糙裂隙、交叉裂隙等不同模型的高温动水注浆模拟过程。
在本实施例中，对于裂隙岩体的高温动水注浆模型，可根据实际注浆工程的地质情况或模型试验的模型尺寸，结合注浆模拟的工况要求，构建裂隙岩体被注介质的高温动水注浆模型；
且，还可对裂隙岩体的高温动水注浆模型进行流体力学网格的划分，以便进行下一步高温动水注浆过程的离散求解。
在本实施例中，根据实际注浆工程的工程背景或模型试验的模型工况，结合注浆模拟的工况要求，设置高温动水注浆模型的初始和边界条件，建立动水注浆前的动水初始流场，即初始化高温动水注浆模型的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态、浆液温度和浆液粘度。
在本实施例中，对于高温动水注浆模拟过程，基于有限体积法和双流体模型构建浆水相互作用模型并求解，在注浆时间步内，数值求解浆液的扩散规律，直至注浆终止时刻。
如图1-图2所示，本实施例提供的裂隙岩体高温动水注浆模拟方法的具体计算步骤为：
从动水注浆全过程模拟开始，
通过初始和边界条件构建裂隙岩体的高温动水注浆模型初始的注浆速度场、注浆压力场、体现浆液扩散形态的浆水两相相分数场、浆液温度场和浆液粘度场；
获取高温动水注浆模型的初始或上一时间步的注浆速度场U9、注浆压力场P9、相分数场α9、浆液温度场K9和浆液粘度场μ9；
根据注浆速度、注浆压力、相分数和浆液粘度组建动量预测方程，通过求解动量预测方程得到预测注浆速度U*；
动量方程为：
其中，下标s和w分别表示浆水两相的变量，α表示相分数，ρ表示密度，对于不可压缩流体为常数，U表示平均速度，p表示压力，τ表示有效应力，g表示重力矢量，M为在欧拉框架下的界面交换力，其表示每单位体积的两相之间的动量传递。
离散后的动量预测方程求解预测注浆速度：
其中，下标p为当前网格点，下标N为相邻网格点，Ap为矩阵对角系数，AN为临点系数，SP为离散后产生的源项。
进一步的，浆水连续性方程为：
其中，U＝αsUs+αwUw，ρ＝αsρs+αwρw。
离散后的连续性方程与动量方程相组合，根据预测注浆速度U*求解注浆压力Pm，根据注浆压力Pm求解注浆速度Um；以此迭代计算，直至达到迭代次数后，求得的注浆压力和注浆速度即为当前时间步的注浆压力Pm和注浆速度Um，
根据当前时间步的注浆速度Um构建离散后的浆水两相相分数方程，通过求解相分数方程得到裂隙岩体中的浆液扩散形态，浆水两相相分数方程为：
根据当前时间步的注浆速度Um构建离散后的注入时长传输方程和温度方程，求解注入时长传输方程和温度方程得到注入浆液的浆液注入时长Tm和浆液温度Km，根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律求解当前时间步的浆液粘度μm；
具体地，基于有限体积法的基本原理，结合双流体模型在两相流模拟中的优势，建立任意浆液微团从注入裂隙开始到当前时刻的注入时长“T”的计算公式，结合标量传输方程的具体应用原则，构建的注入时长传输方程为：
其中，T为浆液注入时长，ux、uy、uz为浆水平均速度的三个分量。
通过对注入时长传输方程进行离散化迭代求解，得到不同时刻浆液注入时长，得到不同时刻的浆液注入时间场。
具体地，基于标量传输方程的传输原则，构建无热源的浆水传热的温度方程为：
其中，K为浆液温度，ux、uy、uz为浆水平均速度的三个分量，DK表示扩散系数，与介质性质有关。
通过温度方程进行离散化迭代求解，得到不同位置的浆液在高温热水作用下的温度变化规律，得到不同时刻的浆液温度场。
具体地，结合浆液特定粘度的浆液注入时长-浆液温度的演化规律，构建的粘度更新方程为：
μs＝f(T,K) (19)
通过粘度更新方程不断更新裂隙岩体高温动水注浆过程中不同时刻的浆液粘度场，从而揭示高温动水注浆全过程模拟中浆液粘度时空演化特征，解决裂隙介质高温动水注浆过程中的浆液粘度随注入时间和温度变化导致的不均匀分布问题，刻画高温作用下浆液的凝结固化过程。
最终，得到当前时间步的注浆速度场Um、注浆压力场Pm、相分数场αm、浆液温度场Km和浆液粘度场μm，然后重复上述步骤推进时间步，直至达到最终注浆时间步，以完成高温动水注浆的模拟，揭示了高温动水注浆过程中浆液粘度的时间-空间-温度三重变化特征。
实施例2
本实施例提供一种裂隙岩体高温动水注浆模拟系统，包括：
初始化模块，被配置为构建裂隙岩体的高温动水注浆模型，并初始化高温动水注浆模型的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态、浆液温度和浆液粘度；
速度预测模块，被配置为根据上一时间步的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态和浆液粘度得到预测注浆速度；
压力与速度模拟模块，被配置为根据预测注浆速度得到注浆压力，根据注浆压力得到注浆速度，迭代计算，直至达到迭代次数后，得到当前时间步的注浆压力和注浆速度；
浆液扩散形态模拟模块，被配置为根据当前时间步的注浆速度得到当前时间步的浆液扩散形态；
浆液温度模拟模块，被配置为根据当前时间步的注浆速度构建注入时长传输方程和温度方程，以分别得到当前时间步的浆液注入时长和浆液温度；
浆液粘度模拟模块，被配置为根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律得到当前时间步的浆液粘度，直至达到最终注浆时间步，以完成高温动水注浆的模拟。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，其特征在于，包括：
构建裂隙岩体的高温动水注浆模型，并初始化高温动水注浆模型的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态、浆液温度和浆液粘度；
根据上一时间步的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态和浆液粘度得到预测注浆速度；
根据预测注浆速度得到注浆压力，根据注浆压力得到注浆速度，迭代计算，直至达到迭代次数后，得到当前时间步的注浆压力和注浆速度；
根据当前时间步的注浆速度得到当前时间步的浆液扩散形态；
根据当前时间步的注浆速度构建注入时长传输方程和温度方程，以分别得到当前时间步的浆液注入时长和浆液温度；
根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律得到当前时间步的浆液粘度；
直至达到最终注浆时间步，以完成高温动水注浆的模拟。
2.如权利要求1所述的一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，其特征在于，所述温度方程为：
其中，K为浆液温度，DK表示扩散系数，ux、uy、uz为浆水平均速度的三个分量。
3.如权利要求1所述的一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，其特征在于，通过温度方程进行离散化迭代求解，得到不同位置的浆液在高温热水作用下的温度变化规律，以得到不同时刻的浆液温度。
4.如权利要求1所述的一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，其特征在于，根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律构建粘度更新方程，以根据粘度更新方程得到浆液粘度。
5.如权利要求4所述的一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，其特征在于，所述粘度更新方程为：
μs＝f(T,K)
其中，K为浆液温度，T为浆液注入时长，μs为浆液粘度。
6.如权利要求1所述的一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，其特征在于，根据实际注浆工程的地质情况或模型试验的模型尺寸，结合注浆模拟的工况要求，构建裂隙岩体被注介质的高温动水注浆模型，并对裂隙岩体的高温动水注浆模型进行流体力学网格的划分，以进行高温动水注浆过程的离散求解。
7.如权利要求1所述的一种裂隙岩体高温动水注浆模拟方法，其特征在于，通过对注入时长传输方程进行离散化迭代求解，得到不同时刻浆液注入时长，所述注入时长传输方程为：
其中，T为浆液注入时长，ux、uy、uz为浆水平均速度的三个分量。
8.一种裂隙岩体高温动水注浆模拟系统，其特征在于，包括：
初始化模块，被配置为构建裂隙岩体的高温动水注浆模型，并初始化高温动水注浆模型的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态、浆液温度和浆液粘度；
速度预测模块，被配置为根据上一时间步的注浆速度、注浆压力、浆液扩散形态和浆液粘度得到预测注浆速度；
压力与速度模拟模块，被配置为根据预测注浆速度得到注浆压力，根据注浆压力得到注浆速度，迭代计算，直至达到迭代次数后，得到当前时间步的注浆压力和注浆速度；
浆液扩散形态模拟模块，被配置为根据当前时间步的注浆速度得到当前时间步的浆液扩散形态；
浆液温度模拟模块，被配置为根据当前时间步的注浆速度构建注入时长传输方程和温度方程，以分别得到当前时间步的浆液注入时长和浆液温度；
浆液粘度模拟模块，被配置为根据浆液注入时长和浆液温度的变化规律得到当前时间步的浆液粘度，直至达到最终注浆时间步，以完成高温动水注浆的模拟。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
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