CN117787146B - 基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境保护与生态修复技术领域，尤其是基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法。本发明所提供的渗透注浆范围确定方法，包括如下步骤：获取待注浆的多孔介质的第一数据；获取注浆点的第二数据；获取待注入多孔介质的宾汉水泥浆液的第三数据；设置注浆工程参数；构建柱形渗透注浆范围确定模型；利用柱形渗透注浆范围确定模型结合第一数据、第二数据以及第三数据，获得多孔介质在基于注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。本发明综合考虑了宾汉浆液自重与注浆管铺设角度对多孔介质渗透注浆空间扩散形态的影响，利用所述渗透注浆范围确定方法能够精准确定宾汉浆液在多孔介质中的柱形渗透注浆扩散范围。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护与生态修复技术领域，尤其是基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法。
背景技术
注浆浆液在多孔介质中的渗透注浆扩散形式可表现如下3种类型：1）当注浆管端部注浆（即点注浆）时，注浆浆液在多孔松散介质中的扩散形式呈球形；2）当注浆不分段（注浆管穿过含水层到达底部不透水层），即通过完整孔或自下而上分段注浆时，注浆浆液在多孔松散介质中的扩散形式呈柱形；3）当非完整孔或自上而下分段注浆时，注浆浆液在多孔松散介质中的扩散形式表现为柱-半球形。同时，注浆浆液依据不同的流变方程可分为牛顿流体、宾汉流体及幂律流体三类。不同流体类型的注浆浆液在多孔介质中的不同扩散形式的渗透注浆具有显著不同的渗透扩散形态与扩散效果，进而表现为不同的渗透注浆扩散机理；因此不同流体类型的注浆浆液具有不同的渗透注浆空间扩散范围确定方法。
目前，在宾汉浆液在多孔介质中的渗透注浆机理领域取得了较好的研究成果。如专利公开号为“CN113297815A”、名称为“一种考虑多孔松散介质迂曲度的宾汉姆型水泥浆液渗透注浆扩散半径计算方法”的中国发明专利，其通过宾汉姆流体流变曲线得到宾汉姆流体本构方程中的屈服应力与塑性黏度，并得到不同水灰比的宾汉型水泥浆液流变方程；根据宾汉型水泥浆液在岩土体流动路径迂曲度和宾汉型水泥浆液流变方程，推导出考虑多孔介质迂曲度的宾汉姆流体的渗流运动方程；根据注浆初始条件及边界条件，推导出考虑多孔松散介质迂曲度影响的宾汉水泥浆液渗透注浆扩散半径计算式。该技术研究了多孔松散介质迂曲度对宾汉水泥浆液柱形渗透注浆扩散形态的作用，而本发明则针对考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的多孔介质柱形渗透注浆空间扩散形态开展探索。二者虽均以宾汉浆液在多孔介质的柱形渗透注浆扩散方式为研究对象，但二者考虑的影响因素完全不同，因此它们具有不同的渗透注浆空间扩散形态效果。
又如，专利公开号为“CN115618643A”、名称为“宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法”的中国发明专利。该技术以宾汉流体类型的水泥浆液为研究对象提出了一种考虑宾汉流体类型的水泥浆液水灰比、时变性及岩土体迂曲度综合影响的柱-半球形渗透注浆扩散形态的确定方法；而本发明则针对考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的多孔介质柱形渗透注浆空间扩散形态如何确定开展探索。二者虽均以宾汉浆液为研究对象，但宾汉浆液在岩土体的渗透注浆扩散形式不一样，并且二者考虑的影响因素也完全不同，因此它们也具有不同的渗透注浆空间扩散形态效果。
又如，专利公开号为“CN113310847A”、名称为“一种考虑时间与水灰比耦合效应的宾汉型水泥浆液流变参数计算方法”的中国发明专利。该发明仅提出了一种考虑时间与水灰比耦合效应的宾汉型水泥浆液流变参数计算方法，而未提出其在岩土体中渗透注浆扩散形态的确定方法；而本发明则针对考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的多孔介质柱形渗透注浆空间扩散形态如何确定开展探索。
跟据工程实践与理论研究表明：宾汉浆液重力、注浆管铺设角度均对渗透扩散过程及注浆扩散形态效果具有非常重要的影响。然而，通过分析目前国内外的相关文献与专利可知：还未见考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的多孔介质柱形渗透注浆机理的相关成果发表。由此可见，目前的渗透注浆理论难以满足注浆工程实践的需求，也不能合理有效地确定考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的多孔介质柱形渗透注浆空间扩散形态。因此，亟需一种更符合注浆工程实践考虑的基于宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的多孔介质柱形渗透注浆空间扩散范围确定方法与可视化模拟系统。
发明内容
针对目前渗透注浆理论的不足与实际注浆工程中面临的技术难题，本发明提供了一种基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法、装置、系统及存储介质，旨在综合考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度对多孔介质柱形渗透注浆空间扩散形态的影响，以更为精准第确定宾汉浆液在多孔介质中的柱形渗透注浆扩散范围。
第一方面，本发明提供了一种基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，包括如下步骤：获取待注浆的多孔介质的第一数据，所述第一数据包括多孔介质的孔隙率以及多孔介质的渗透系数；获取注浆点的第二数据，所述第二数据包括注浆点处地下水压力；获取待注入所述多孔介质的宾汉水泥浆液的第三数据，所述第三数据包括宾汉水泥浆液的屈服应力，宾汉水泥浆液的塑性黏度、宾汉水泥浆液的密度以及宾汉水泥浆液中水的黏度；设置注浆工程参数，所述注浆工程参数包括注浆压力、注浆时间、注浆半径以及注浆管的铺设角度；构建柱形渗透注浆范围确定模型，所述柱形渗透注浆范围确定模型满足如下公式：，其中，表示柱形渗透注浆空间扩散范围的量化指标，/>表示注浆压力，/>表示注浆点处地下水压力，/>表示宾汉水泥浆液的塑性黏度，/>表示孔介质的孔隙率，/>表示水的密度，/>表示重力加速度，/>表示多孔介质的渗透系数，/>表示宾汉水泥浆液中水的黏度，/>表示宾汉水泥浆液的屈服应力，/>表示注浆时间，/>表示注浆半径，/>表示宾汉水泥浆液的密度，,/>表示宾汉水泥浆液扩散方向与注浆管的夹角，/>表示注浆管的铺设角度；利用所述柱形渗透注浆范围确定模型结合所述第一数据、所述第二数据以及所述第三数据，获得所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
本发明所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，更能反映宾汉水泥浆液在岩土体中的柱形渗透注浆扩散范围形态，由此得到的宾汉浆液在多孔介质中形成的柱形渗透注浆空间扩散范围更符合注浆工程实践，进而可为岩土体的渗透注浆实践工程提供的理论支撑。
可选地，本发所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，还包括如下步骤：还包括如下步骤：可视化所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
进一步可选地，所述可视化所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标，包括如下步骤：依托COMSOL Multiphysics平台，可视化所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
可选地，所述获取待注浆的多孔介质的第一数据，包括如下步骤：获取待注浆的多孔介质的材料特性参数，所述材料特性参数包括多孔介质的比重，多孔介质的质量含水量以及多孔介质的密度；构建多孔介质的孔隙率表征模型，并利用所述孔隙率表征模型结合所述材料特性参数，获得所述多孔介质的孔隙率。
进一步可选地，所述孔隙率表征模型满足如下公式：，其中，/>表示多孔介质的比重，/>表示4℃时纯蒸馏水密度，/>表示多孔介质的质量含水量，/>表示多孔介质的密度。
可选地，获取待注入所述多孔介质的宾汉水泥浆液的第三数据，包括如下步骤：获取所述宾汉水泥浆液的宾汉水泥浆液的流变方程，并通过所述宾汉水泥浆液的流变方程获得所述第三数据。
进一步可选地，在所述基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法中，所述宾汉水泥浆液的水灰比的取值范围为0.75至1.25。
第二方面，本发明还提供了一种基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定装置,所述基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定装置具体包括第一数据采集模块、第二数据采集模块以及第三数据采集模块；其中，所述第一数据采集模块用于采集本发明第一方面所述的第一数据；所述第二数据采集模块用于采集本发明第一方面所述的第二数据；所述第三数据采集模块用于采集本发明第一方面所述的第三数据。
本发明所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定装置，通过多个数据采集模块共同作用，采集并整合不同类型的数据，为基于注浆工程参数的渗透注浆范围确定提供准确的输入。本发明所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定装置适用于多孔介质注浆工程，为工程师提供了一种全面而可靠的工具，以优化注浆设计并提高工程的稳定性和效率。
第三方面，本发明还提供了基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定系统，所述基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定系统包括数据输入模块、数据采集模块、数据分析模块以及数据输出模块；其中，所述数据输入模块用于输入采集本发明第一方面所述的注浆工程参数，所述数据采集模块用于采集本发明第一方面所述的第一数据、第二数据以及第三数据，所述数据分析模块用于构建所述柱形渗透注浆范围确定模型，并利用所述柱形渗透注浆范围确定模型结合所述数据输入模块和所述数据采集模块输入的数据，获取采集本发明第一方面所述的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标；所述数据输出模块用于输出所述柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
本发明所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定系统，将数据输入模块输入的数据以及数据采集模块采集的数据，通过信号连接传递给数据分析模块，后者执行程序指令，利用所述基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，计算并确定柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。本发明所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定系统为注浆工程提供了一种全面的、自动化的工具，可准确而高效地确定注浆范围，有助于优化工程设计和提高工程执行效果。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有能够被处理器运行的程序指令，所述程序指令用于实现本发明第一方方面所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法。
通过本发明所提供的计算机可读存储介质，用户能够在计算机上轻松运行该渗透注浆范围确定方法，实现对注浆工程参数的柱形渗透注浆空间扩散范围进行准确而高效的计算和量化。这有助于提高工程设计的科学性和可行性，确保注浆工程的顺利实施。
附图说明
图1为本发明实例所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法的第一流程图；
图2为考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆扩散形式示意图；
图3为考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的流体受力示意图；
图4为本发明实例所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法的第二流程图；
图5为本发明实例所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定装置的模块示意图；
图6为本发明实例所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定系统的结构示意图；
图7为考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱球形渗透注浆空间扩散范围第一模拟图；
图8为考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱半球形渗透注浆空间扩散范围第二模拟图；
图9为不考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆空间扩散范围模拟图；
图10为基于发明实施例中参数所获得的柱形渗透注浆空间扩散范围的实验图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
在一个实施例中，请参见图1，图1为本发明实例所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法的第一流程图。如图1所示，本发明所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，包括如下步骤：
S01、获取待注浆的多孔介质的第一数据，所述第一数据包括多孔介质的孔隙率以及多孔介质的渗透系数。
进一步地，所述多孔介质的第一数据可通过岩土体试验获得。岩土体试验是一系列用于研究和评估土壤和岩石性质的试验，这些试验旨在了解岩土体在不同条件下的工程特性，如岩土力学试验、岩土渗透试验、岩土液性试验、土壤压缩试验、土壤含水量试验以及土壤颗粒分析试验。具体试验步骤及方式的选择取决于具体的工程需求和研究目的。
所述多孔介质的孔隙率是指多孔介质内部空隙的体积与总体积之比。在一个或者一些实施例中，步骤S01中所述的获取待注浆的多孔介质孔隙率，包括如下步骤：
S011、获取待注浆的多孔介质的材料特性参数，所述材料特性参数包括多孔介质的比重，多孔介质的质量含水量以及多孔介质的密度。
在本实施例中，可利用上述岩土体试验获得多孔介质的材料特性参数，例如，利用灌水法、灌砂法或环刀法，获得多孔介质的密度；利用烘干法，获得多孔介质的质量含水量/>；利用比重瓶法与虹吸筒法相结合，获得多孔介质的比重/>。
S012、构建多孔介质的孔隙率表征模型，并利用所述孔隙率表征模型结合所述材料特性参数，获得所述多孔介质的孔隙率。
在本实施例中，所述孔隙率表征模型满足如下公式：，其中，/>表示多孔介质的孔隙率，/>表示多孔介质的比重，/>表示4℃时纯蒸馏水密度，/>表示多孔介质的质量含水量，/>表示多孔介质的密度。
进一步地，多孔介质的孔隙率是个无量纲数；多孔介质的比重/>也是个无量纲数；4℃时纯蒸馏水密度/>的单位为kg/m3；通常取值为1000kg/m3；多孔介质的质量含水量是指多孔介质中水分的质量与总质量之比为百分比（%），多孔介质的密度/>的单位为kg/m3。
渗透系数是用于描述岩土体对流体（通常是水）渗透的能力的物理量，其衡量了多孔介质内流体在单位时间内通过单位面积的能力，单位为m/s。在一个或者一些实施例中，可通过注水试验获得多孔介质的渗透系数。进一步地，所述注水试验可以在实验室中进行，也可以在现场进行。为更加真实地反映多孔介质的渗透性，通常对现场的多孔介质进行注水试验获得对应的渗透系数。
S02、获取注浆点的第二数据，所述第二数据包括注浆点处地下水压力。
所述地下水压力是指地下水在地下介质中的压力状态，即水分子在地下介质中由于重力作用而产生的压力，单位为Pa。在注浆工程中，测量注浆点处的地下水压力是为了了解地下水的水平分布、水流方向以及地下水位的变化情况。
进一步地，为获得注浆点处地下水压力数据，可通过在注浆点处地下预埋孔隙水压力传感器，进而通过所述孔隙水压力传感器获得对应预埋点处地下水压力。
S03、获取待注入所述多孔介质的宾汉水泥浆液的第三数据，所述第三数据包括宾汉水泥浆液的屈服应力，宾汉水泥浆液的塑性黏度、宾汉水泥浆液的密度以及宾汉水泥浆液中水的黏度。
可以理解的是，宾汉水泥浆液是指满足以宾汉流体渗透扩散形态与扩散效果的注浆浆液，其水灰比是水泥浆液中水的重量与水泥的重量的比值。水灰比的选择对于混凝土或水泥基材料的性能至关重要，具体取决于工程的要求和材料的特性。进一步地，本实施例所使用的宾汉水泥浆液的水灰比的取值范围在0.75至1.25范围内。在其他的一个或者一些实施例中，所述宾汉水泥浆液的水灰比的取值范围在0.75至1.25范围外，或者包括本实施例所提供的取值范围。
所述宾汉水泥浆液的屈服应力是指宾汉流体受到外部刺激（如剪切力）时开始发生塑性变形的最小应力，其反映了宾汉水泥浆液在施加外力后首次发生变形的临界条件，单位为Pa。
所述塑性黏度是指流体在超过屈服应力后的黏性特征，其表征了宾汉水泥浆液在流动过程中的阻力，单位为Pa•s。
所述宾汉水泥浆液中水的黏度是指宾汉水泥浆液中水的流动阻力，单位为Pa•s；宾汉水泥浆液中水的黏度数值会受到多种因素的影响，包括水泥的种类、水泥与水的配比（水灰比）、浆液的温度等。
进一步地，在一个或者一些实施例中，所述第三数据中的屈服应力、塑性黏度以及宾汉水泥浆液中水的黏度，可通过如下步骤获得：获取所述宾汉水泥浆液的宾汉水泥浆液的流变方程，并通过所述宾汉水泥浆液的流变方程获得所述第三数据。
具体地，所述获取所述宾汉水泥浆液的宾汉水泥浆液的流变方程，并通过所述宾汉水泥浆液的流变方程获得所述第三数据，包括如下步骤：先利用黏度计对所述宾汉水泥浆液在不同时间进行流变试验。再根据所述流变试验的结果，在剪切速度-剪切应力坐标系中获得对应的流变曲线；然后基于宾汉流体流变方程，结合所述流变曲线获得所述宾汉水泥浆液的流变方程。最后通过所述宾汉水泥浆液的流变方程获得所述第三数据。
进一步地，所述黏度计可以是旋转黏度计，也可以是毛细管黏度计。具体可根据实际情况进行选择。在试验中，可以改变浆液的剪切速度，观察并记录浆液在不同条件下的流变行为。通过这些试验，得到不同剪切速度下的剪切应力数据。
宾汉流体流变方程是描述宾汉水泥浆液流变性质的方程，可用于拟合流变曲线并获得相应的流变参数，具体地，所述宾汉流体流变方程为，其中，/>表示剪切应力（Pa），/>表示屈服应力，/>表示塑性黏度，/>表示剪切速率（s-1）。
在一个或者一些实施例中，所述宾汉水泥浆液的密度可以利用比重计法获得，其单位为kg/m3。
S04、设置注浆工程参数，所述注浆工程参数包括注浆压力、注浆时间、注浆半径以及注浆管的铺设角度。
所述注浆工程参数是指在注浆工程中需要设定和控制的一系列参数，它们直接影响着注浆过程的进行和注浆效果的达成。进一步地，本发明所述的注浆工程参数包括注浆压力、注浆时间/>（s）、注浆半径/>（m）以及注浆管的铺设角度/>（°）。
其中，注浆压力是指在注浆管中施加的压力，用于推动注浆材料（如水泥浆液）流动并渗透到岩土体中。注浆时间是指注浆操作持续的时间，即在一定的注浆压力下，注浆操作进行的时间长度。注浆半径是指注浆管从中心到注浆管侧面的孔洞之间的距离，即注浆影响的半径范围。注浆管的铺设角度是指注浆管相对于地面水平方向的倾斜角度。
S05、构建柱形渗透注浆范围确定模型。
在本实施例中，所述柱形渗透注浆范围确定模型满足如下公式：，其中，/>表示柱形渗透注浆空间扩散范围的量化指标，/>表示注浆压力，/>表示注浆点处地下水压力，/>表示宾汉水泥浆液的塑性黏度，/>表示孔介质的孔隙率，/>表示水的密度，/>表示重力加速度，/>表示多孔介质的渗透系数，/>表示宾汉水泥浆液中水的黏度，/>表示宾汉水泥浆液的屈服应力，/>表示注浆时间，/>表示注浆半径，/>表示宾汉水泥浆液的密度，/>,/>表示宾汉水泥浆液扩散方向与注浆管的夹角，/>表示注浆管的铺设角度。
容易理解的，所述柱形渗透注浆范围确定模型可根据上述模型的具体表征方程，利用计算机编程语言，例如Python、MATLAB、C++等，进行对应的计算模型构建，进而将计算得到的渗透注浆范围的量化指标输出为程序结果。
进一步地，上述柱形渗透注浆范围确定模型，包括如下构建步骤：
请参见图2和图3，图2为考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆扩散形式示意图，图3为考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的流体受力示意图。如图2所示，任意注浆管中心轴线与水平面的夹角记为，即注浆管铺设角度；浆液在扩散过程中，其扩散方向与注浆管中心轴线的夹角记为/>。图2的浆液从注浆管孔口出来后，沿任意方向扩散时均受重力作用，单位体积浆液在任意方向上扩散时在该方向上所受的重力可表示为/>。
假设单个毛细管道的半径为，选取以毛细管中心线为对称轴的柱形微元体，其半径为/>且/>；则该微元体的受力情况如图3所示（图3中/>和/>分别为该柱形微元体两断面所受的压力，/>为宾汉流体流核半径，/>为流核半径内的浆液流速，/>为流核半径范围外的浆液流速）。
在考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的情况下，由图1-2可知，流体柱微元体上受力平衡关系为：；进一步将流体柱微元体上受力平衡关系方程简化为：/>。
当，/>，由流体柱微元体上受力平衡关系的简化方程可得到径向距离/>满足如下等式：/>。
将径向距离代入流变方程式宾汉流体本构方程/>（/>表示剪切应力，/>表示屈服应力，/>表示塑性黏度，/>，/>表示剪切速率），可得：。
对进行积分可得到：；进而获得单个毛细管内的流量/>，具体地，。
将单个毛细管流量除以毛细管截面/>，得到平均速度/>为：。进一步地，当毛细管内流量为零时，则有/>。
求解上述毛细管内流量为零时获得的方程，可得到启动压力梯度，所述启动压力梯度/>满足如下公式：/>。
利用Dupuit-Forchheimer关系：,其中，/>表示渗透速度；令/>，/>表示多孔介质的渗透率，进而得到考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的渗流运动方程为：/>。
开始注浆后其压力梯度远大于宾汉流体的启动压力梯度，即：，则可将渗流运动方程中的高次项忽略，进一步地将所述渗流运动方程化简为：/>。
由于，进一步结合简化后渗流运动方程可得：。在考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱半球渗透注浆扩散过程中，单位时间内的注浆量/>，其中，/>表示单位时间内的注浆量，，A为水泥浆液运移过程中流经的某一柱面面积，/>表示柱形扩散高度，进而可获得：/>。
考虑柱形扩散模型的注浆边界条件：即，/>（/>为注浆管半径），/>（为地下水压力）时，/>，将边界条件代入/>，即可获得。又因为注浆量/>，进一步可得：/>。
基于渗透系数与渗透率/>的关系：/>，其中，/>表示渗透系数，/>表示水的黏度，/>表示水的密度，/>表示重力加速度；将其代入上述，进一步可获得：。
通过，/>以及/>，可得。将其代入：/>，可得考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆空间扩散范围的量化指标的公式，即柱形渗透注浆范围确定模型
。
S06、利用所述柱形渗透注浆范围确定模型结合所述第一数据、所述第二数据以及所述第三数据，获得所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
进一步地，对宾汉水泥浆液扩散方向与注浆管的夹角在/>到/>进行取值，再利用柱形渗透注浆范围确定模型获得对应的量化指标。在本实施例中，所述量化指标/>表示宾汉水泥浆液扩散方向与注浆管的夹角为/>时，考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度影响后柱形渗透注浆空间扩散范围长度的一半。
在又一个实施例中，请参见图4，图4为本发明实例所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法的第二流程图。如图4所示，本发明所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，包括如下步骤：
S07、可视化所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
具体地，可依托COMSOL Multiphysics平台，基于计算机编程技术二次开发得到考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆空间扩散范围的可视化模拟系统，以此实现考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆全过程空间扩散范围的实时动态数值模拟。
在又一个实施例中，请参见图5，图5为本发明实例所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定装置的模块示意图。如图5所示，所述基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定装置包括：第一数据采集模块、第二数据采集模块以及第三数据采集模块。
进一步地，第一数据采集模块、第二数据采集模块以及第三数据采集模块分别用于采集基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法中所述的第一数据、第二数据以及第三数据。
具体地，所述第一数据采集模块包括岩土体试验中所需的传感器、测量仪器或探测设备，用于采集多孔介质的孔隙率以及多孔介质的渗透系数。所述第二数据采集模块包括水压传感器设备，用于注浆点处地下水压力。所述第三数据采集模块包括实现流变试验以及流变试验数据结果分析的相关实验设备与实验分析仪器，用于获得宾汉水泥浆液的屈服应力，宾汉水泥浆液的塑性黏度以及宾汉水泥浆液中水的黏度；进一步地，所述第三数据采集模块还包括用于实现比重实验的实验设备，进而用于获得宾汉水泥浆液的密度。
在又一个实施例中，请参见图6，图6为本发明实例所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定系统的结构示意图。如图6所示，所述基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定系统包括数据输入模块、数据采集模块、数据分析模块以及数据输出模块。
进一步地，所述数据输入模块用于接收用户输入的注浆工程参数，具体地，所述数据输入模块可以是输入设备或者输入界面，用户可以通过界面或输入设备输入有关注浆工程的参数，如注浆压力、注浆时间、注浆半径以及注浆管的铺设角度等。
所述数据采集模块用于采集基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法中所述的第一数据、第二数据以及第三数据。具体地，所述数据采集模块可以包括上述第一数据采集模块、第二数据采集模块以及第三数据采集模块，进而分别利用第一数据采集模块、第二数据采集模块以及第三数据采集模块采集对应的第一数据、第二数据以及第三数据。
所述数据分析模块用于构建所述柱形渗透注浆范围确定模型，并利用所述柱形渗透注浆范围确定模型结合所述数据输入模块和所述数据采集模块输入的数据，获取所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
所述数据输出模块用于输出所述柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标，进一步地，所述数据分析模块的分析结果可以文本报告或者图形展示等方式被所述数据输出模块输出。
在又一个可选的实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有能够被处理器运行的程序指令，所述程序指令用于实现所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法。
进一步地，这些程序指令涵盖了基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法所描述的多个步骤，包括：获取待注浆的多孔介质的第一数据、获取注浆点的第二数据、获取待注入所述多孔介质的宾汉水泥浆液的第三数据、设置注浆工程参数、构建柱形渗透注浆范围确定模型、利用所述柱形渗透注浆范围确定模型结合所述第一数据、所述第二数据以及所述第三数据，获得所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标，和/或可视化所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标等步骤。
通过这一计算机可读存储介质，用户能够在计算机上轻松运行该渗透注浆范围确定方法，实现对注浆工程参数的柱形渗透注浆空间扩散范围进行准确而高效的计算和量化。这有助于提高工程设计的科学性和可行性，确保注浆工程的顺利实施。
在一个具体的实施例中，利用本发明所提供的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，以获得宾汉浆液在多孔介质中的柱形渗透注浆空间扩散范围的量化指标，具体包括如下实施步骤：
通过开展岩土体试验得到多孔介质的孔隙率、渗透系数、注浆点处地下水压力/>。其中，上述多孔介质的孔隙率/>通过孔隙率表征模型满足如下公式：/>获得，此时，/>，，/>，/>。/>
进一步地，通过开展流变试验获得设计水灰比1.00宾汉水泥浆液的屈服应力、塑性黏度/>、密度/>，且确定水的黏度。根据实际情况，设计注浆压力/>，注浆时间/>，注浆半径/>及铺设角度/>。
进一步地，对宾汉水泥浆液扩散方向与注浆管的夹角在/>到/>进行取值，再利用柱形渗透注浆范围确定模型获得对应的量化指标；并基于所述量化指标将多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围可视化，进而获得考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆空间扩散范围第一模拟图，如图7所示。图7中（a）图至（d）图分别表示可视化过程中不同时刻下柱形渗透注浆空间扩散范围模拟图，三维坐标分别表示考虑滨汉浆液自重与铺设角度的影响时滨汉浆液在三维方向柱形渗透注浆范围。
同时基于上述数据，在本实施例中，针对不同铺设角度情况，结合本发明所提出的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，进行了对应的考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆空间扩散范围模拟，获得考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆空间扩散范围第二模拟图，如图8所示。图8中（a）图至（g）图分别表示不同铺设角度下柱形渗透注浆空间扩散范围模拟图。
进一步地，将不考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆的空间扩散范围可视化，即可获得不考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的柱形渗透注浆空间扩散范围模拟图，如图9示。进一步地，在图9中，三维坐标分别表示不考虑滨汉浆液自重与铺设角度的影响时滨汉浆液在三维方向柱形渗透注浆范围。
进一步地，依据本实施例提出的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法中的各项参数，获得柱形渗透注浆空间扩散范围的实验图，如图10所示。分别将图10与图7中（d）图和图9比较可知，依据本实施例提出的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法所获得的空间扩散范围，相较于不考虑宾汉浆液自重与注浆管铺设角度综合影响的多柱形渗透注浆的空间扩散范围更接近试验结果，更能反映宾汉水泥浆液在岩土体中的渗透注浆扩散范围形态，更符合注浆工程实践。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取待注浆的多孔介质的第一数据，所述第一数据包括多孔介质的孔隙率以及多孔介质的渗透系数；
获取注浆点的第二数据，所述第二数据包括注浆点处地下水压力；
获取待注入所述多孔介质的宾汉水泥浆液的第三数据，所述第三数据包括宾汉水泥浆液的屈服应力，宾汉水泥浆液的塑性黏度、宾汉水泥浆液的密度以及宾汉水泥浆液中水的黏度；
设置注浆工程参数，所述注浆工程参数包括注浆压力、注浆时间、注浆半径以及注浆管的铺设角度；
构建柱形渗透注浆范围确定模型，所述柱形渗透注浆范围确定模型满足如下公式：，其中，/>表示柱形渗透注浆空间扩散范围的量化指标，/>表示注浆压力，/>表示注浆点处地下水压力，/>表示宾汉水泥浆液的塑性黏度，/>表示孔介质的孔隙率，/>表示水的密度，/>表示重力加速度，/>表示多孔介质的渗透系数，/>表示宾汉水泥浆液中水的黏度，/>表示宾汉水泥浆液的屈服应力，/>表示注浆时间，/>表示注浆半径，/>表示宾汉水泥浆液的密度，/>,/>表示宾汉水泥浆液扩散方向与注浆管的夹角，/>表示注浆管的铺设角度；
利用所述柱形渗透注浆范围确定模型结合所述第一数据、所述第二数据以及所述第三数据，获得所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
2.根据权利要求1所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，其特征在于，还包括如下步骤：
可视化所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
3.根据权利要求2所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，其特征在于，所述可视化所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标，包括如下步骤：
依托COMSOL Multiphysics平台，可视化所述多孔介质在基于所述注浆工程参数的注浆工程下的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
4.根据权利要求1所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，其特征在于，所述获取待注浆的多孔介质的第一数据，包括如下步骤：
获取待注浆的多孔介质的材料特性参数，所述材料特性参数包括多孔介质的比重，多孔介质的质量含水量以及多孔介质的密度；
构建多孔介质的孔隙率表征模型，并利用所述孔隙率表征模型结合所述材料特性参数，获得所述多孔介质的孔隙率。
5.根据权利要求4所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，其特征在于，所述孔隙率表征模型满足如下公式：，其中，/>表示多孔介质的比重，/>表示4℃时纯蒸馏水密度，/>表示多孔介质的质量含水量，/>表示多孔介质的密度。
6.根据权利要求1所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，其特征在于，获取待注入所述多孔介质的宾汉水泥浆液的第三数据，包括如下步骤：
获取所述宾汉水泥浆液的宾汉水泥浆液的流变方程，并通过所述宾汉水泥浆液的流变方程获得所述第三数据。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法，其特征在于，所述宾汉水泥浆液的水灰比的取值范围为0.75至1.25。
8.一种基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定装置，其特征在于，包括第一数据采集模块、第二数据采集模块以及第三数据采集模块；
其中，所述第一数据采集模块用于采集权利要求1-7任一所述的第一数据；所述第二数据采集模块用于采集权利要求1-7任一所述的第二数据；所述第三数据采集模块用于采集权利要求1-7任一所述的第三数据。
9.一种基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定系统，其特征在于，包括数据输入模块、数据采集模块、数据分析模块以及数据输出模块；
其中，所述数据输入模块用于输入权利要求1-7任一所述的注浆工程参数，所述数据采集模块用于采集权利要求1-7任一所述的第一数据、第二数据以及第三数据，所述数据分析模块用于构建所述柱形渗透注浆范围确定模型，并利用所述柱形渗透注浆范围确定模型结合所述数据输入模块和所述数据采集模块输入的数据，获取权利要求1-7任一所述的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标；所述数据输出模块用于输出所述柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有能够被处理器运行的程序指令，所述程序指令用于实现权利要求1-6任一所述的基于宾汉浆液自重与角度的柱形渗透注浆范围确定方法。
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