CN117408191A - 一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种裂隙岩体渗透‑流动注浆模拟方法及系统，涉及岩体裂隙注浆数值模拟领域，构建裂隙岩体渗透‑流动注浆模型，设置模型的物理属性与边界条件；将模型划分为多尺度网格，依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，融合N‑S方程和Darcy方程构建控制方程组；基于不断更新的多尺度转化参数，利用控制方程组重复计算不同时间步下各个网格的压力、速度与饱和度，从而得到不同时间步下模型的压力场、速度场与饱和度场；本发明分别通过达西定律Darcy和N‑S方程构建渗透‑流动控制方程组，定义渗透‑流动性质转化参数，实时调整数值计算控制方程，从而准确有效描述注浆在不同介质中的渗透‑流动状态。
Description
技术领域
本发明属于岩体裂隙注浆数值模拟领域，尤其涉及一种裂隙岩体渗透-流动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。
注浆是指将特定的材料（通常是液体、浆料或其他填充物质）注入到工程结构或地质体中的裂缝、空隙或孔隙中的过程，旨在强化地下结构、加固岩石或土壤或封闭空隙以防止水或其他物质的渗透；当被注介质为裂隙岩体时，浆液会沿着裂隙流动，但对于裂隙较细小、复杂或连通性较差的情况，浆液会通过细小空隙(多孔介质)向裂隙两侧岩体渗透。
实际工程中的岩石或土壤往往存在多种不同的物理性质和结构特征，面对此类复杂条件，注浆过程存在一些风险和挑战，例如材料流失、不均匀填充等，这种注浆过程的效果取决于注浆材料的性质、多孔介质的渗透性和孔隙结构以及施工过程中的压力、速率和时间等；现有的注浆模拟方法，没有考虑在不同介质中（裂隙与多孔介质）注浆的渗透-流动状态，导致注浆模拟准确度不高，最终影响实际注浆工程的注浆效果和稳定性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法及系统，分别通过达西定律Darcy和N-S方程构建渗透-流动控制方程组，定义渗透-流动性质转化参数，实时调整数值计算控制方程，从而准确有效描述注浆在不同介质中（裂隙与多孔介质）的渗透-流动状态。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法。
一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，包括：
构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型，设置模型的物理属性与边界条件；
将模型划分为多尺度网格，依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，在无固相域采用N-S方程控制浆液扩散过程，在多孔介质域采用Darcy方程控制浆液扩散过程，融合N-S方程和Darcy方程构建控制方程组；
基于不断更新的多尺度转化参数，利用控制方程组重复计算不同时间步下各个网格的压力、速度与饱和度，从而得到不同时间步下模型的压力场、速度场与饱和度场。
进一步的，所述裂隙岩体渗透-流动注浆模型，构建过程为：
获取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，构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型。
进一步的，所述多尺度网格，是根据模拟时流场和注浆情况，动态调整网格密度，使重点区域采用高的网格分辨率，非重点区域采用低的网格分辨率。
进一步的，所述依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，具体为：当网格中介质内部的孔隙率时，所述网格属于无固相域；当孔隙率时，所述网格属于多孔介质域。
进一步的，所述控制方程组，具体为：
将N-S方程与Darcy方程相耦合，得到控制注浆渗透-流动的控制方程组；
当孔隙率时，控制方程组转变为N-S方程进行数值计算，当孔隙率/>时，控制方程组转变为Darcy方程进行数值计算。
进一步的，所述多尺度转化参数，作为控制方程组的系数，用来描述注浆界面位置与微结构注浆动态特性的网格尺度信息，包括相对速度、阻力和表面张力。
进一步的，所述重复计算的具体过程为：
获取当前时间步的多尺度转化参数，实时调整控制方程组；
对调整后的控制方程组进行求解，得到当前时间步的压力场、速度场与饱和度场；
推进时间步，计算下一时间步的压力场、速度场与饱和度场。
本发明第二方面提供了一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟系统。
一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟系统，包括模型构建模块、方程构建模块和重复模拟模块：
模型构建模块，被配置为：构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型，设置模型的物理属性与边界条件；
方程构建模块，被配置为：将模型划分为多尺度网格，依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，在无固相域采用N-S方程控制浆液扩散过程，在多孔介质域采用Darcy方程控制浆液扩散过程，融合N-S方程和Darcy方程构建控制方程组；
重复模拟模块，被配置为：基于不断更新的多尺度转化参数，利用控制方程组重复计算不同时间步下各个网格的压力、速度与饱和度，从而得到不同时间步下模型的压力场、速度场与饱和度场。
本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法中的步骤。
本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法中的步骤。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明所述方案提供了一种裂隙岩体渗透-流动注浆数值模拟分析方法，将N-S方程与Darcy方程耦合成新的控制方程组，通过孔隙率将裂隙岩体渗透-流动注浆模型划分为无固相域与多孔介质域，相较于传统计算方法，能准确有效描述注浆在不同介质中（裂隙与多孔介质）的渗透-流动状态。
本发明所述方案在裂隙岩体中进行多尺度多相流的数值模拟，定义多尺度转化参数，确保了在不同尺度下的模型能够相互衔接和匹配，涵盖了微观裂隙结构到宏观岩体尺度，进而能够更全面地理解注浆的宏观特性和动态过程。
本发明所述方案针对不同实况下浆液在裂隙岩体中的渗透流动进行模拟，充分发挥了数值模拟的直观性与便利性，基于耦合流体控制方程组，实现了裂隙岩体渗透流动注浆全过程的压力-速度可视化模拟，是一种高效新颖的注浆模拟方法。
本发明通过数值模拟不同的注浆方案，可以评估潜在的风险和问题，优化注浆参数，提高注浆效果和工程稳定性，减少现场施工的成本和资源消耗，为工程设计和决策提供科学依据。
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为第一个实施例的方法流程图。
图2为第一个实施例浆液流动渗透示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本公开的一种实施例中提供了一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，包括如下步骤：
步骤S1：构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型，设置模型的物理属性与边界条件；
步骤S2：将模型划分为多尺度网格，依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，在无固相域采用N-S方程控制浆液扩散过程，在多孔介质域采用Darcy方程控制浆液扩散过程，融合N-S方程和Darcy方程构建控制方程组；
步骤S3：基于不断更新的多尺度转化参数，利用控制方程组重复计算不同时间步下各个网格的压力、速度与饱和度，从而得到不同时间步下模型的压力场、速度场与饱和度场。
作为一种实施例，一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法的具体实施方式如下，如图1所示：
步骤1：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，构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型，设置裂隙岩体渗透-流动注浆模型的物理属性与边界条件。
其中，图2是用不同阶段的裂隙岩体渗透-流动注浆模型表示的浆液流动渗透示意图，分别为未注浆、开始注浆、注浆过程中及注浆完成，下面就对注浆渗透流动过程进行模拟。
步骤2：对注浆模型进行粗网格划分，考虑模型整体的渗透性和流动特性，在局部区域内采用更细的网格划分，以更准确地描述渗透流动注浆过程和微观特性，即根据模拟时流场和注浆情况，动态调整网格密度，使重点区域拥有更高的网格分辨率，非重点区域则采用较低的网格分辨率。
步骤3：根据各个网格的特性参数（即孔隙率）及预先设定的孔隙率阈值，进行网格分类，当介质内部的孔隙率时，划分为无固相域；当孔隙率/>时，划分为多孔介质域。
步骤4：引入N-S方程控制无固相域，Darcy方程（即达西定律）控制多孔介质域，并将两方程耦合为渗透-流动控制方程组。
其中，N-S动量守恒方程，具体为：
其中，ρ是流体的密度，是速度，t 是时间，/>是梯度算子，p是压力，/>是动力黏度，/>是重力向量。
Darcy方程为：
其中，k是介质的渗透性系数，A是流体流动的横截面积，Δp是流体流动端与末端之间的压力差，是动力黏度，L是流动的距离。
由于在浆液-岩体界面区域内，方程的积分与导数在求解上存在较大难度，所以，基于上述两个方程，通过在网格内使用一个表示不同相体积的标量函数来描述浆液的分布，即将N-S方程与Darcy方程相耦合，得到控制注浆渗透-流动的方程组，保证方程组在整个计算域中都是有效的，可以同时应用于无固相区域与多孔介质区域，方程组如下：
其中，是第i相的速度，/>是孔隙率，ρ是密度，/>是速度，/>是重力向量，/>是粘性应力张量，/>是饱和度，/>是压力，/>是相对速度，/>是阻力，/>是表面张力。
将控制方程组中的系数相对速度、阻力/>和表面张力/>定义为多尺度转化参数，用来描述注浆界面位置与微结构注浆动态特性等网格尺度信息，对分析注浆渗透流动状态具有重要意义。
步骤5：依据每个时间步的多尺度转化参数来适时调整控制方程组，不断更新转化参数，以此来不断调整控制方程组，从而得到每个时间步的控制方程组。
通过对每个时间步的控制方程组进行求解，得到不同时间步下各个网格的压力、速度和饱和度，组成不同时间步下注浆模型的压力场p、速度场v和饱和度场，裂隙岩体渗透-流动注浆模拟结束。
将控制方程组应用于模型的各个划分网格上，将每个时间步的转化参数带入方程组中，对方程组进行求解，得到模型不同网格的注浆压力-速度-饱和度。通过推进时间步、重复计算，依据模拟时长设置最大时间步数，当循环超出预设的最大时间步数时，模拟结束，最终得出裂隙岩体渗透-流动注浆过程中不同时间步下的注浆压力场p、速度场与饱和度/>，从而揭示裂隙岩体渗透-流动注浆的全过程演化特征，刻画了裂隙岩体渗透-流动注浆真实状态。
实施例二
本公开的一种实施例中提供了一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟系统，包括模型构建模块、方程构建模块和重复模拟模块：
模型构建模块，被配置为：构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型，设置模型的物理属性与边界条件；
方程构建模块，被配置为：将模型划分为多尺度网格，依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，在无固相域采用N-S方程控制浆液扩散过程，在多孔介质域采用Darcy方程控制浆液扩散过程，融合N-S方程和Darcy方程构建控制方程组；
重复模拟模块，被配置为：基于不断更新的多尺度转化参数，利用控制方程组重复计算不同时间步下各个网格的压力、速度与饱和度，从而得到不同时间步下模型的压力场、速度场与饱和度场。
实施例三
本实施例的目的是提供计算机可读存储介质。
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法中的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供电子设备。
电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法中的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，其特征在于，包括：
构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型，设置模型的物理属性与边界条件；
将模型划分为多尺度网格，依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，在无固相域采用N-S方程控制浆液扩散过程，在多孔介质域采用Darcy方程控制浆液扩散过程，融合N-S方程和Darcy方程构建控制方程组；
基于不断更新的多尺度转化参数，利用控制方程组重复计算不同时间步下各个网格的压力、速度与饱和度，从而得到不同时间步下模型的压力场、速度场与饱和度场。
2.如权利要求1所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，其特征在于，所述裂隙岩体渗透-流动注浆模型，构建过程为：
获取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，构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型。
3.如权利要求1所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，其特征在于，所述多尺度网格，是根据模拟时流场和注浆情况，动态调整网格密度，使重点区域采用高的网格分辨率，非重点区域采用低的网格分辨率。
4.如权利要求1所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，其特征在于，所述依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，具体为：当网格中介质内部的孔隙率时，所述网格属于无固相域；当孔隙率/>时，所述网格属于多孔介质域。
5.如权利要求1所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，其特征在于，所述控制方程组，具体为：
将N-S方程与Darcy方程相耦合，得到控制注浆渗透-流动的控制方程组；
当孔隙率时，控制方程组转变为N-S方程进行数值计算，当孔隙率/>时，控制方程组转变为Darcy方程进行数值计算。
6.如权利要求1所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，其特征在于，所述多尺度转化参数，作为控制方程组的系数，用来描述注浆界面位置与微结构注浆动态特性的网格尺度信息，包括相对速度、阻力和表面张力。
7.如权利要求1所述的一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟方法，其特征在于，所述重复计算的具体过程为：
获取当前时间步的多尺度转化参数，实时调整控制方程组；
对调整后的控制方程组进行求解，得到当前时间步的压力场、速度场与饱和度场；
推进时间步，计算下一时间步的压力场、速度场与饱和度场。
8.一种裂隙岩体渗透-流动注浆模拟系统，其特征在于，包括模型构建模块、方程构建模块和重复模拟模块：
模型构建模块，被配置为：构建裂隙岩体渗透-流动注浆模型，设置模型的物理属性与边界条件；
方程构建模块，被配置为：将模型划分为多尺度网格，依据每个网格的孔隙率，将模型进一步划分为无固相域与多孔介质域，在无固相域采用N-S方程控制浆液扩散过程，在多孔介质域采用Darcy方程控制浆液扩散过程，融合N-S方程和Darcy方程构建控制方程组；
重复模拟模块，被配置为：基于不断更新的多尺度转化参数，利用控制方程组重复计算不同时间步下各个网格的压力、速度与饱和度，从而得到不同时间步下模型的压力场、速度场与饱和度场。
9.一种电子设备，其特征是，包括：
存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及
处理器，用于运行所述计算机可读指令，
其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其特征是，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行权利要求1-7任一项所述的方法。
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