動水條件下裂隙岩體注漿擴散規律與堵水機理研究

《動水條件下裂隙岩體注漿擴散規律與堵水機理研究》是依託山東大學，由張慶松擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：動水條件下裂隙岩體注漿擴散規律與堵水機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張慶松
• 依託單位：山東大學

中文摘要

地下工程突湧水災害治理中，動水條件下注漿擴散規律與封堵機理是急需解決的重大理論難題，本項目通過理論分析、室內試驗、模型試驗和數值模擬等手段，系統研究動水條件下普通水泥漿液和典型凝膠可控型漿液的擴散規律與堵水機理。以研究漿液的流變時變特性為基礎，套用地下水動力學及多相介質擴散理論，建立單一、交叉裂隙漿液擴散模型；研製動水注漿模型裝置並進行物理模擬試驗，分析水壓、流速、流量、注漿壓力和被注介質特性對漿液擴散規律的影響，探討漿液在動水和注漿壓力共同作用下的動力學耦合機制，建立漿液在不同注漿參數、被注介質特性條件下的擴散方程和壓力耗散方程。深入分析注漿過程中漿液固化和漿體受阻滯作用封堵過水斷面的過程，研究漿體對動水的驅替作用機制與注漿封堵機理。編制有限元程式，實現對動水注漿擴散過程的數值模擬。建立動水條件下，注漿材料選擇原則、注漿參數設計方法。研究對於地下工程湧水治理具有重大理論價值和實踐意義。

結題摘要

隨著我國交通、水電等基礎設施建設重心逐漸向地質條件極端複雜的西部地區和岩溶地區轉移，施工中遭遇的突湧水災害治理難題堪稱世界之最。注漿是突湧水災害治理的有效方法，針對動水條件下注漿擴散規律與封堵機理的研究具有重大理論和實踐意義。本項目對裂隙岩體動水條件下的水泥漿液和典型凝膠可控漿液的擴散與封堵進行了系統地理論推導、室內試驗、模型試驗和數值模擬研究。通過分析漿液的流型與分類，並採用室內試驗方法獲得漿液的粘度時變性特性，建立了漿液本構方程。通過理論推導，獲得了動水條件下單一裂隙漿液擴散跡線方程與考慮漿液粘度時空變化的注漿擴散方程。本項目自主研發了大型準三維裂隙動水注漿試驗台，對水泥漿液與典型凝膠可控漿液的動水擴散規律與封堵機理展開了模型試驗研究，提出了水泥漿液動水擴散分區分層U形擴散機制、水泥水玻璃漿液非對稱橢圓擴散機制以及高分子抗分散漿液的驅替擴散機制。單一裂隙動水注漿擴散試驗結論與數值分析結果相符。採用數值計算方法對動水條件下交叉裂隙水泥漿液和水泥基速凝漿液擴散進行了求解，獲得了交叉裂隙動水注漿擴散規律。項目組通過動水注漿封堵模型試驗揭示了水泥漿液封堵快速析水分層原理與沉積流核機制，得出水泥漿液形成有效沉積擴散所對應的漿水比ζ的範圍為[0.15-1.5]。分析水泥基速凝漿液單一裂隙動水封堵規律研究成果，提出了動水條件下的注漿封堵判據。得到了抗分散漿液驅替留存封堵機制引入了驅替擴散狀態判斷值DP找到了驅替擴散臨界範圍，即當DP≥36時，漿液發生驅替擴散。同時，本項目開展了相應的動水注漿封堵現場試驗，驗證了動水注漿擴散與封堵相關研究成果，並建立了注漿材料選擇、注漿參數確定方法，試驗結果修正完善了理論研究成果，可有效為為地下工程動水注漿封堵提供科學指導。