CN117852313A - 一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及注浆模拟技术领域，具体公开了一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法及系统，方法包括：建立注浆相关区域三维模型，对三维模型进行区域标记；为每个区域划分网格，明确网格所代表的介质属性；对注浆相关区域三维模型进行区域注浆序次划分，对所有网格进行注浆序次信息标记；对于第一序次网格进行数值计算，得到本序次注浆参数的全部信息，完成本序次注浆模拟；将计算域扩展到第二序次网格，按照同样的方法对第一序次网格和第二序次网格进行数值计算；依次类推，直到完成全部序次网格的分段预注浆数值模拟。本发明降低了分段预注浆模拟所需的网格数量，实现了计算域在模拟过程中的分阶段扩展。
Description
技术领域
本发明涉及注浆模拟技术领域，尤其涉及一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法及系统。
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。
突涌水灾害严重威胁着地下工程的建设与矿山开发的安全，当超前探测评估隧道前方涌水量较大或发育较大规模不良地质时，一种常用的处置方案是在开挖前对掌子面进行注浆，即预注浆。相较于后注浆在开挖后对围岩涌水进行治理，预注浆是在水害处于封闭状态，尚未因开挖而释放的状态下进行的，经注浆加固后的隧道具备更高的稳定性，因此在施工安全性、治理成本和减水效果方面都有明显优势。另一方面，由于压力沿程损失导致浆液在距离掌子面较近的裂隙扩散范围较大而在远离掌子面的裂隙不能充分扩散。为克服长距离注浆导致的浆液扩散不均匀问题，预注浆通被分为若干个序次进行，这种钻进-注浆交替的工艺也被称为前进式分段预注浆。
以治理掌子面前方N米区域，由3个序次组成的前进式分段预注浆施工为例，其施工流程可以概括为：（1）注浆孔钻进至掌子面前方N/3米；（2）对掌子面前方0~N/3米区域进行注浆；（3）注浆孔复钻至掌子面前方N/3米，并钻进到掌子面前方2*N/3米；（4）对掌子面前方N/3~2*N/3米区域进行注浆；（5）注浆孔复钻至掌子面前方2*N/3米，并钻进到掌子面前方N米；（6）对掌子面前方2*N/3~N米区域进行注浆。
利用数值模拟手段，注浆过程中浆液的扩散规律可以得到更加全面、直观的展示。然而，传统方法难以适用于前进式分段预注浆数值模拟，其原因在于：
（1）网格拓展性：现有注浆模拟方法基于计算流体力学和有限体积离散，在模拟过程中计算域网格大多在空间上是固定的，或仅能以变形的方式适应计算；而前进式分段预注浆的多序次施工导致注浆影响范围不断扩展，数值模拟所对应的计算域网格也需要相应变化。
（2）网格计算效率：岩体裂隙的几何特征是在两个空间维度上尺寸较大，而在另一个空间维度（裂隙隙宽）尺寸较小；注浆钻孔在一个空间维度（钻进方向）上尺寸较大，而另外两个空间维度上（钻孔径向）尺寸较小。为了保证收敛性，传统方法需要在尺寸较小的维度也布置较多的网格，极大降低了计算效率，难以开展工程尺度计算。
（3）浆液流变性表征：注浆材料的流变性随时间变化，在导水介质内逐渐产生强度并固化。传统相变模拟方法涉及复杂的界面传质和固-液模型转化问题，导致复杂几何条件下收敛性降低，缺乏一种快速有效的固化浆液表征方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法及系统，通过赋予网格介质信息，实现浆液扩散过程的高效计算；通过赋予网格序次信息实现计算过程中的网格扩展与分段注浆模拟。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，包括：
建立注浆相关区域三维模型，对三维模型进行区域标记；
对注浆相关区域三维模型进行空间离散化，为每个区域划分网格，明确网格所代表的介质属性；
对注浆相关区域三维模型进行区域注浆序次划分，对所有网格进行注浆序次信息标记；
对于第一序次网格进行数值计算，获取浆液的流变信息，使用时间传输方程表征浆液在计算域的运移时长，得到浆液的传输时间，依据浆液的传输时间判定浆液的固化情况；得到本序次注浆参数的全部信息，完成本序次注浆模拟；
将计算域扩展到第二序次网格，按照同样的方法对第一序次网格和第二序次网格进行数值计算；依次类推，直到完成全部序次网格的分段预注浆数值模拟。
其中，对三维模型进行区域标记，具体为：
将注浆相关区域三维模型划分为注浆钻孔Ω1域、与钻孔直接连通的主导水裂隙Ω2域、不与钻孔直接连通的次级导水裂隙Ω3域；标记Ω1∩Ω2=Si,1交界面作为注浆钻孔与主导水裂隙间的介质交换界面，标记Ω2∩Ω3=Si,2交界面作为导水裂隙间的介质交换界面。
进一步地，对所有网格进行注浆序次信息标记，具体为：
根据施工要求，将注浆过程划分为n个序次，把处于第k序次注浆影响范围内的裂隙划分为Rk，作为第k序次注浆的计算域；对该计算域下的网格标记注浆次序k。
进一步地，若存在被判定为达到固化标准的网格P，则将P网格的相关变量属性从现有计算域中隐藏，后续计算不再依赖P中的注浆参数；同时把组成网格P的网格面P f作为计算域边界壁面考虑。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟系统，包括：
模型构建模块，用于建立注浆相关区域三维模型，对三维模型进行区域标记；
网格划分模块，用于对注浆相关区域三维模型进行空间离散化，为每个区域划分网格，明确网格所代表的介质属性；
次序标记模块，用于对注浆相关区域三维模型进行区域注浆序次划分，对所有网格进行注浆序次信息标记；
注浆模拟模块，用于对于第一序次网格进行数值计算，获取浆液的流变信息，使用时间传输方程表征浆液在计算域的运移时长，得到浆液的传输时间，依据浆液的传输时间判定浆液的固化情况；得到本序次注浆参数的全部信息，完成本序次注浆模拟；将计算域扩展到第二序次网格，按照同样的方法对第一序次网格和第二序次网格进行数值计算；依次类推，直到完成全部序次网格的分段预注浆数值模拟。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明通过多参数网格划分和网格介质信息标记简化了复杂几何特征计算域的模型概化过程，通过网格序次信息标记实现了不同注浆阶段对于不同序次网格的分段计算能力。
（2）本发明通过在动量方程中添加考虑裂隙介质属性的流动阻力源项f，实现了粗糙裂隙变隙宽影响下的流动阻力添加，通过在模拟过程中剔除固化区域网格，实现了对于浆液固化相变的模拟。
（3）相较于现有方法，本发明减少了在次要区域的网格布置，降低了分段预注浆模拟所需的网格数量，实现了计算域在模拟过程中的分阶段扩展。
本发明的其他特征和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，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法流程图；
图2为本发明实施例中建立的三维模型示意图；
图3为本发明实施例中对三维模型进行区域标记示意图；
图4为本发明实施例中对三维模型进行区域注浆序次划分示意图；
图5为本发明实施例中第一序次网格注浆模拟示意图；
图6为本发明实施例中第二序次网格注浆模拟示意图。
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
在一个或多个实施方式中，公开了一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，结合图1，具体包括如下过程：
S101：建立注浆相关区域三维模型，对三维模型进行区域标记。
本实施例中，首先明确前进式分段预注浆方案的治理范围和地质条件信息，建立治理范围内的三维模型；图2给出了三维模型的具体示例，三维模型中包括了注浆钻孔和导水裂隙。
结合图3，本实施例将注浆相关区域三维模型划分为注浆钻孔Ω1域、与钻孔直接连通的主导水裂隙Ω2域、不与钻孔直接连通的次级导水裂隙Ω3域。标记Ω1∩Ω2=Si,1交界面作为注浆钻孔与主导水裂隙间的介质交换界面，标记Ω2∩Ω3=Si,2交界面作为导水裂隙间的介质交换界面。
需要说明的是，本实施例中三维模型的构建以及在三维模型中进行不同区域的划分，均是采用现有技术的模型处理手段实现的，至于不同区域的大小和范围，也是可以根据实际需要进行选择的。
钻孔所在的区域和导水裂隙具有不同的结构特征，三维空间中钻孔在一个维度长（钻进方向），另外两个维度小；裂隙相反，在两个维度展布范围大，而在另一个维度（隙宽方向）尺寸小，根据各自特征划分区域，可以有针对性的布置计算单元，降低了参与计算的网格数量，有利于实现计算的高效进行，扩大模拟尺度。
此外，在裂隙区域需要根据裂隙介质属性的流动阻力源项f判定由于开度和产状变化引起的裂隙渗透性改变，而在钻孔中该参数贡献不显著，可以忽略，因此本实施例通过划分区域能够实现浆液扩散过程的高效计算。
S102：对注浆相关区域三维模型进行空间离散化，为每个区域划分网格，明确网格所代表的介质属性。
本实施例中，为了把三维模型划分为适用于有限单元法或有限体积法等数值模拟方法进行离散计算的单元，对三维模型进行空间网格离散化，即为每个区域进行网格划分；本实施例中网格划分的具体实现手段也是现有技术实现的，比如现有技术的有限单元法在进行计算时，也需要划分网格。
其中，Ω1域在钻进方向按需求布置网格，在径向仅包含一层网格；Ω2域、Ω3域在裂隙展布方向按计算精度需求布置伪二维网格，在隙宽方向仅包含一层网格；伪二维网格即在裂隙隙宽方向仅包含一层网格，但该网格包含体积信息，能够反应本区域内裂隙空腔的容积；在Si,1和Si,2交界网格面标记内部壁面。Ω1∪Ω2∪Ω3共同组成整体计算域网格集合Ω。
同时，标记Ω2域和Ω3域的导水裂隙所包含的介质属性，介质属性包括：隙宽b、粗糙度J、网格平均粗糙度Ja、和网格隙宽方差σ；由于Ω1域为注浆钻孔组成的区域，不包含隙宽、粗糙度等信息，因此无需标记。
其中，隙宽b和粗糙度J可以由钻孔电视、岩芯取样或其他物探、钻探手段评估，也可以通过三维裂隙建模获取，并为基础数据输入。网格平均粗糙度Ja即统计学意义上的粗糙度J的算数平均数，网格隙宽方差σ即统计学意义上的隙宽b的方差。
本实施例中，对三维模型中标记的Ω1域、Ω2域和Ω3域进行网格离散化，并根据各域不同特点布置计算单元，使用不同的计算方案，减少了在次要区域的网格布置，降低了数值模拟所需要的网格数量。离散后形成的多参数网格不仅包含空间信息，还标记了网格的多属性参数，实现浆液扩散过程的高效计算。
S103：对注浆相关区域三维模型进行区域注浆序次划分，对所有网格进行注浆序次信息标记。
本实施例中，将前进式分段预注浆过程分为n个序次，在进行第k序次的注浆时，后续第k+1至n序次的裂隙不受注浆影响，不纳入第k序次的计算范围，因此按照施工要求，把处于第k序次注浆影响范围内的裂隙，作为第k序次注浆的计算域，对该计算域下的网格标记注浆次序k。
对于整体计算域网格集合Ω，依照每序次钻进进尺与治理范围，划分第一序次网格R1，第二序次网格R2至第N序次网格RN；且R1∪R2∪…∪RN=Ω，各次序网格参与的计算阶段不同。
图4给出了一种具体的序次划分示例，总共划分了三个次序的网格，包括第一序次网格R1，第二序次网格R2和第三序次网格R3。
本实施例通过赋予网格序次信息实现计算过程中的网格扩展与分段注浆模拟；实现对于浆液固化相变的高效计算；该方法数学模型简单，求解效率高且求解稳定性更高。
S104：对于第一序次网格R1进行数值计算，获取浆液的流变信息，使用时间传输方程表征浆液在计算域的运移时长，得到浆液的传输时间，依据浆液的传输时间判定浆液的固化情况；得到本序次注浆参数的全部信息，完成本序次注浆模拟，图5给出了对第一序次网格R1进行注浆模拟计算的效果示意图。
本实施例中，浆液的流变信息包括浆液的密度和黏度等；注浆参数的全部信息包括：速度矢量U、压力p、体积分数F、动力粘度μ、传输时间C以及考虑裂隙介质属性的流动阻力源项f，基于注浆参数可以评估注浆效果。
假设第一序次网格R1内同时包含了主导水裂隙Ω2域以及次级导水裂隙Ω3域，注浆参数的计算过程具体如下：
①开始某一时间节点的注浆参数数值计算，计算Ω1域内浆液的注浆参数；
②计算由Ω1域向Si,1交界面传输的各注浆参数通量；
③将Si,1交界面各注浆参数通量作为Ω2域的边界条件，并计算Ω2域的注浆参数；
④计算由Ω2域向Si,2交界面传输的各注浆参数通量；
⑤将Si,2交界面各注浆参数通量作为Ω3域的边界条件，并计算Ω3域的注浆参数；
⑥完成本时间节点注浆参数计算，并进行下一时间节点的注浆参数数值计算。
各步骤中注浆参数的详细计算过程包括：
浆-水两相间的区分依靠某一空间位置的体积分数确定，其中/>，/>分别为水与浆液的体积分数。二者的取值依据偏微分方程，即公式(1)的求解实现：
（1）
式中，Ux，Uy，Uz为该位置上的速度矢量分量；t表示时间，x/y/z表示空间坐标。
速度矢量Ux，Uy，Uz通过联合求解动量方程公式(2)和连续性方程公式(3)获得；以Ux为例，获取注浆压力和速度矢量各分量：
（2）
（3）
公式(2)为求解速度矢量分量Ux的控制方程，类似地可以得到Uy，Uz的控制方程。其中，p为压力，μ为动力粘度，f为考虑Ω2域和Ω3域裂隙介质属性的流动阻力源项。f作为隙宽b、粗糙度J等参数的函数，赋予了不同网格不同的流动阻力。
具体而言，Ux方向的考虑裂隙介质属性的流动阻力源项f具体为：
（4）
公式（4）表示了由于裂隙隙宽b变化导致的流动阻力变化，其中，k v、k i为依据网格介质信息求解的粘性渗透性参数与本征渗透性参数。将公式（4）的f代入公式（2）即表示由于隙宽变化导致的动量损失。
为求解浆液黏度的不均匀分布，本实施例使用了时间传输方程表征浆液在计算域的运移时长，即公式(5)：
（5）
公式(5)中，C即为浆液的传输时间，即浆液在导水介质中存在的时长，其在不同位置的取值不同，构成了一个随时间变化的标量场，称为传输时间场。
浆液的固化是注浆过程中浆液的性质之一，浆液固化后实现对于地下工程水害的治理；浆液会随着时间的增加逐渐固化，利用某一点浆液的传输时间即可判定该区域浆液是否达到固化标准，固化标准可以是浆液的初凝时间或其他标准。本实施例依据浆液的传输时间判定浆液的固化情况。
此外，需要对被判定为浆液固化区域进行处理，即存在固化浆液的网格将不再参与后续计算，具体方式是：若存在被判定为达到固化标准的网格P，则将P网格的相关变量属性从现有计算域隐藏，后续插值计算不在依赖P中变量取值；同时把组成网格P的网格面P f作为计算域边界壁面考虑。
本实施例通过在动量方程添加考虑裂隙介质属性的流动阻力源项f，实现了粗糙裂隙变隙宽影响下的流动阻力添加，通过在模拟过程中剔除固化区域网格，实现了对于浆液固化相变的模拟。
S105：将计算域扩展至第一序次网格R1和第二序次网格R2，按照同样的方法对第一序次网格R1和第二序次网格R2进行数值计算，注浆模拟效果如图6所示。
继续将计算域扩展至第一序次网格R1、第二序次网格R2和第三序次网格R3，依此类推，直到完成全部序次R1∪R2…∪RN的分段预注浆数值模拟。
本实施例方法通过多参数网格划分和网格介质信息标记简化了复杂几何特征计算域的模型概化过程，通过网格序次信息标记实现了不同注浆阶段对于不同序次网格的分段计算能力，实现了计算域在模拟过程中的分阶段扩展。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟系统，具体包括：
模型构建模块，用于建立注浆相关区域三维模型，对三维模型进行区域标记；
网格划分模块，用于对注浆相关区域三维模型进行空间离散化，为每个区域划分网格，明确网格所代表的介质属性；
次序标记模块，用于对注浆相关区域三维模型进行区域注浆序次划分，对所有网格进行注浆序次信息标记；
注浆模拟模块，用于对于第一序次网格进行数值计算，获取浆液的流变信息，使用时间传输方程表征浆液在计算域的运移时长，得到浆液的传输时间，依据浆液的传输时间判定浆液的固化情况；得到本序次注浆参数的全部信息，完成本序次注浆模拟；将计算域扩展到第二序次网格，按照同样的方法对第一序次网格和第二序次网格进行数值计算；依次类推，直到完成全部序次网格的分段预注浆数值模拟。
上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行详细的说明，此处不再详述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法。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。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
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)
1.一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，其特征在于，包括：
建立注浆相关区域三维模型，对三维模型进行区域标记；
对注浆相关区域三维模型进行空间离散化，为每个区域划分网格，明确网格所代表的介质属性；
对注浆相关区域三维模型进行区域注浆序次划分，对所有网格进行注浆序次信息标记；
对于第一序次网格进行数值计算，获取浆液的流变信息，使用时间传输方程表征浆液在计算域的运移时长，得到浆液的传输时间，依据浆液的传输时间判定浆液的固化情况；得到本序次注浆参数的全部信息，完成本序次注浆模拟；
将计算域扩展到第二序次网格，按照同样的方法对第一序次网格和第二序次网格进行数值计算；依次类推，直到完成全部序次网格的分段预注浆数值模拟。
2.如权利要求1所述的一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，其特征在于，对三维模型进行区域标记，具体为：
将注浆相关区域三维模型划分为注浆钻孔Ω1域、与钻孔直接连通的主导水裂隙Ω2域、不与钻孔直接连通的次级导水裂隙Ω3域；标记Ω1∩Ω2=Si,1交界面作为注浆钻孔与主导水裂隙间的介质交换界面，标记Ω2∩Ω3=Si,2交界面作为导水裂隙间的介质交换界面。
3.如权利要求2所述的一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，其特征在于，明确网格所代表的介质属性，具体为：
标记Ω2域和Ω3域的导水裂隙所包含的介质属性，包括隙宽b、粗糙度J、网格平均粗糙度Ja和网格隙宽方差σ。
4.如权利要求1所述的一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，其特征在于，对所有网格进行注浆序次信息标记，具体为：
根据施工要求，将注浆过程划分为n个序次，把处于第k序次注浆影响范围内的裂隙划分为Rk，作为第k序次注浆的计算域；对该计算域下的网格标记注浆次序k。
5.如权利要求1所述的一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，其特征在于，对于当前注浆序次下的网格进行数值计算，包括：
在当前注浆序次下的网格下，对于某一时间节点，计算Ω1域内浆液的注浆参数；
计算由Ω1域向Si,1交界面传输的各注浆参数通量；
将Si,1交界面各注浆参数通量作为Ω2域的边界条件，并计算Ω2域的注浆参数；
计算由Ω2域向Si,2交界面传输的各注浆参数通量；
将Si,2交界面各注浆参数通量作为Ω3域的边界条件，并计算Ω3域的注浆参数；
完成本时间节点注浆参数计算，并进行下一时间节点的注浆参数数值计算。
6.如权利要求1所述的一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，其特征在于，所述注浆参数包括体积分数，速度矢量，压力，黏度，传输时间以及考虑裂隙介质属性的流动阻力源项。
7.如权利要求1所述的一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，其特征在于，使用时间传输方程表征浆液在计算域的运移时长，得到浆液的传输时间，具体为：
其中，C为浆液的传输时间，其在不同位置的取值不同，构成了一个随时间变化的标量场；Ux，Uy，Uz分别为当前位置上的速度矢量分量；表示浆液的体积分数。
8.如权利要求1所述的一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法，其特征在于，若存在被判定为达到固化标准的网格P，则将P网格的相关变量属性从现有计算域中隐藏，后续计算不再依赖P中的注浆参数；同时把组成网格P的网格面P f作为计算域边界壁面考虑。
9.一种地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于建立注浆相关区域三维模型，对三维模型进行区域标记；
网格划分模块，用于对注浆相关区域三维模型进行空间离散化，为每个区域划分网格，明确网格所代表的介质属性；
次序标记模块，用于对注浆相关区域三维模型进行区域注浆序次划分，对所有网格进行注浆序次信息标记；
注浆模拟模块，用于对于第一序次网格进行数值计算，获取浆液的流变信息，使用时间传输方程表征浆液在计算域的运移时长，得到浆液的传输时间，依据浆液的传输时间判定浆液的固化情况；得到本序次注浆参数的全部信息，完成本序次注浆模拟；将计算域扩展到第二序次网格，按照同样的方法对第一序次网格和第二序次网格进行数值计算；依次类推，直到完成全部序次网格的分段预注浆数值模拟。
10.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-8任一项所述的地下工程前进式分段预注浆快速数值模拟方法。
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