耦合精細地質信息和監控信息的大壩灌漿數值模擬方法
2023-05-03 14:22:21 2
耦合精細地質信息和監控信息的大壩灌漿數值模擬方法
【專利摘要】本發明涉及水利水電工程中大壩灌漿數值模擬領域，為實現精確的預測地質信息及裂隙信息、灌漿效果，提出一種能夠精細模擬地質和裂隙信息，和灌漿工程緊密結合的灌漿數值模擬方法。為此，本發明採取的技術方案是，耦合精細地質信息和監控信息的大壩灌漿數值模擬方法，包括三部分：灌漿施工過程動態監控與分析部分；建立預測地質與裂隙信息的三維精細地質模型，該模型與灌漿施工過程動態監控建立數據信息連接，能夠隨著監控信息的更新不斷優化；最後耦合上述兩部分數據信息，完成灌漿數值模擬。本發明主要應用於水利水電工程。
【專利說明】耦合精細地質信息和監控信息的大壩灌漿數值模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水利水電工程中耦合三維精細地質信息和灌漿監控信息的大壩灌漿數值模擬方法。特別涉及一種大壩壩基地質複雜，裂隙交錯雜亂，地質信息與灌漿信息隨灌漿過程的進行不斷更新的情況下，能夠實現準確模擬壩體複雜地質與裂隙信息並結合灌漿監控信息不斷優化的大壩灌漿數值模擬方法。
技術背景
[0002]灌漿技術是使漿液結石體及採空區上部巖土層在灌漿後成為強度高、抗滲性好、穩定性高的新結構體，從而達到改善採空區所在區域地層物理力學性質的目的，以滿足各類土木建築、巖土地基等的工程施工要求，灌漿技術被廣泛地應用於地基工程、樁基工程、邊坡工程、隧道工程和煤礦開採。目前研究灌漿技術的主要手段分為模型實驗和數值模擬。灌漿數值模擬又包括漿液擴散過程的模擬、灌漿後巖層的穩定性模擬等方面，本發明主要解決水利水電灌漿工程中漿液的擴散及分布模擬方面的問題。
[0003]在國外，1956年，美國陸軍工程兵團進行了單裂縫中漿液流動過程的模擬試驗。Houlsby (1985)進行了單裂隙中漿液流動過程的模擬。M.J.Yang(2001)針對巖石裂隙產生的不確定性，採用蒙特卡羅法建立了多裂隙的巖石破碎帶模型，將灌漿液作為賓漢姆流體處理，分別模擬了漿液在在單條和多條裂隙中的流動。BoIisett1.Tirupati (2003)提出了一個模擬多孔介質普通灌漿、帷幕灌漿的數值模型，該模型包括三維地下水徑流滲透模型(M0DFL0W)、三維多物質化學反應轉移模型(RT3D)、漿液凝結模塊組成。Sadrnejad.SA (2006)提出了固結灌漿中滲透係數的變化規律，建立了模擬漿液在多孔介質中滲透的模型。S.Maghous (2007)建立了耦合質量守恆方程和廣義滲流方程的模型，該模型考慮了流體粘度的變化和孔隙率的變化。Fatiha Bouchelaghem(2009)首先進行了以細沙為多孔介質的滲透灌眾實驗，並建立了模擬眾液滲透的二維和三維數值模型。Luo Ping-Ping(2010)基於多分數布朗運動下的分型理論，構建了四組不同正則化尺寸的斷裂面，對單一隨機孔徑斷裂的灌漿過程進行了數值模擬。
[0004]現代灌漿技術在我國的發展歷史較短，五十年代開始應用於土建工程中，但發展較快，某些方面已達列世界先進水平。在灌漿數值模擬方面，郝哲(1999)利用蒙特卡羅(Monte Carlo)法模擬巖體裂隙分布,編制開發出一套反映裂隙巖體中灌眾擴散情況的計算機模擬程序。楊米加(2001)在裂隙結構模擬的基礎上，建立了裂隙網絡非牛頓流體的滲流模型，提出確定灌漿參數的一般方法。阮文軍(2003)建立了巖體裂隙的穩定性漿液灌漿擴散模型，並開發了電腦程式，該程序可以計算任意時刻的灌漿擴散範圍、裂隙內某點處灌漿壓力隨時間的變化情況。王萬順(2005)將採空區冒落帶、斷裂帶看作均值各向同性的巖層，假定漿液在其中的運動服從達西定律和質量守恆定律，建立了三維滲流有限元模型。聞常赫(2008)基於滲透灌漿的基本理論，將漿液作為牛頓流體，建立以灌漿孔為中心的三維滲流牛頓流體軸對稱模型。羅平平(2010)參考二維平行板間不可壓縮粘性流體的運動方程，分析推導了賓漢漿夜在等寬光滑傾斜裂隙中的流動方程。許萬忠(2010)建立了漿液在巖石節理中的滲透概化模型，分析了漿液滲透規律。湛鎧瑜(2011)假定漿液流態為層流，推導建立了單一裂隙動水注漿擴散模型，對單一裂隙動水注漿擴散模型進行了編程。程鵬達(2011)通過單孔滲透注漿的數值模擬，研究了考慮滲流場與應力場條件下，粘性時變性流體在多孔介質中的擴散規律。
[0005]從國內外所開展的一系列研究和應用來看，灌漿數值模擬主要是針對單一裂隙或者幾條裂隙，所採用的理論模型多為一二維，這與實際灌漿工程中複雜交錯布置的裂隙情況或者大面積的多孔灌漿情況差別較大，而且地質和裂隙模型均是通過理論推導得出來的，鑑於地質條件和裂隙的複雜及不確定性，很難能夠建立準確的地質及裂隙模型。此外，灌漿過程的技術方案是隨著灌漿實際情況的變化而變化的，要求灌漿數值模擬模型和實際灌漿方案緊密結合，隨著才能達到為灌漿工程服務的目的。
[0006]參考文獻:
[0007]
【權利要求】
1.一種耦合精細地質信息和監控信息的大壩灌漿數值模擬方法，其特徵是，包括三部分:灌漿施工過程動態監控與分析部分；建立預測地質與裂隙信息的三維精細地質模型，該模型與灌漿施工過程動態監控建立數據信息連接，能夠隨著監控信息的更新不斷優化；最後耦合上述兩部分數據信息，完成灌漿數值模擬。
2.如權利要求1所述的耦合精細地質信息和監控信息的大壩灌漿數值模擬方法，其特徵是，提出灌漿施工過程動態監控與分析具體為: (1)採用短距離無線網絡技術和移動通信網絡技術共同實現灌漿施工過程中的數據集中管理與傳輸； (2)對於短距離無線網絡技術，具體是將在局部的多臺灌漿記錄儀通過短距離無線網絡組成區域網，區域網中的灌漿記錄儀的灌漿數據和抬動數據實時傳輸到短距離無線網絡協調器中，然後將數據傳遞到施工管理計算機中； (3)對於移動通信網絡技術，具體是將單個或者多個短距離無線網絡中收集到的灌漿記錄儀的數據，通過移動通信網絡長距離發送到網絡伺服器中，經應用軟體接收並解析各個短距離無線網絡的數據後存儲到資料庫中，供施工管理人員通過網際網路訪問數據頁面來達到查詢和統計灌漿數據的目的； (4)水利水電工程灌漿過程中產生的大量數據主要包括灌漿參數信息和檢查參數信息，灌漿參數信息通過無線傳輸技術實時採集至資料庫，檢查參數通過Excel接口程序進行數據採集。
3.如權利要求1所述的耦合精細地質信息和監控信息的大壩灌漿數值模擬方法，其特徵是，建立包括地質 與裂隙的三維精細地質模型具體為: (1)將水電工程地質數據分為確定性和統計性，對於確定性地質數據，採用三維混合數據結構，地質構造曲面和地質體的NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines)構造技術實現三維模型構建；對於統計型地質數據，採用蒙特卡羅技術(Monte Carlo)對三維裂隙網絡進行構建； (2)針對三維地質模型與三維裂隙網絡，基於布爾運算分析模型之間的空間位置關係，對重疊的地質體進行布爾差運算，從而實現各類地質模型在空間位置上的耦合； (3)結合灌漿監控信息，提取新增實測鑽孔錄像、巖芯照片的地質信息，用實測二維地質剖面線代替地質模型中相同位置的模擬地質剖面線，結合原有的確定性地質數據，實現巖層、斷層、風化層、軟弱夾層的三維模型的動態更新； (4)基於實測裂隙信息，對蒙特卡羅模擬得出的裂隙幾何參數進行優化，通過動態校核技術，動態校核裂隙三維網絡模型，從而實現三維網絡裂隙模型的動態更新。
4.如權利要求1所述的耦合精細地質信息和監控信息的大壩灌漿數值模擬方法，其特徵是，耦合三維精細地質模型和灌漿監控信息的數值模擬方法具體為: (1)基於建立的包含複雜地層信息的三維地質模型，通過計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)軟體的數據接口，將包含複雜地質信息和裂隙信息的地質數據耦合轉化為計算流體力學模型數據，採用貼體網格和局部加密網格劃分技術建立網格模型，實現真實複雜地質信息在計算流體力學軟體計算模型中的精確表達； (2)建立賓漢姆流體三維灌漿數值模擬模型-混合模型，該模型是把漿液和顆粒混合物作為整體來考慮的，其賓漢姆流體本構方程、連續性方程、動量方程、k- ε紊流封閉方程、混合速度方程和混合密度方程共同構成了該模型的基本方程，模型的灌漿參數包括孔隙率、粘度、巖體特性、空隙分布均來三維地質信息模型，並隨著監控信息的更新不斷實時調整灌漿參數與計算網格模型，實現與現場灌漿工程施工情況的無縫緊密結合，精確模擬灌漿效果；其中連續性方程、動量方程是主要流體流動控制方程，k-ε紊流方程為選取的紊流封閉方程，本構方程主要體現賓漢姆流體的特性，混合速度和密度方程體現注漿液中混凝土顆粒和水的混合速度和密度； (3)該模型的邊界條件包括: 1)進口邊界條件:根據實際工程確定賓漢流體相和顆粒相的進口速度分布，壓力分布以及相應的體積濃度分布，上述三個變量與灌漿監控系統實時連接，隨監控信息的更新不斷調整進口邊界條件；根據工程設計的Ι、Π序孔，定義相應的兩類進口條件，進行Ι、Π序孔的分序注漿； 2)出口條件:即壓力邊界，按局部單向化處理，在計算域的邊界上，壓力應滿足諾依曼(Neumann)邊 界條件，即第二類邊界條件，該邊界條件與灌漿監控系統實時連接，隨監控信息的更新不斷調整出口邊界條件； 3)固體壁面邊界條件:按固壁定律處理，所有固壁處的節點均採用無滑移條件，對靠近壁面的第一個網格節點採用標準壁面函數法； (4)該模型在確定基本控制方程和邊界條件的設置與相關參數後，通過有限體積法進行離散，SIMPLE (Sem1-1mplicit Method for Pressure Linked Equations)算法進行求解，最終實現耦合三維精細地質信息與灌漿監控信息的三維灌漿數值模擬。
【文檔編號】G06F17/50GK103984807SQ201410177316
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】王曉玲, 吳斌平, 周正印, 敖雪菲 申請人:天津大學