耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法
【专利摘要】本发明涉及水利水电工程中大坝灌浆数值模拟领域，为实现精确的预测地质信息及裂隙信息、灌浆效果，提出一种能够精细模拟地质和裂隙信息，和灌浆工程紧密结合的灌浆数值模拟方法。为此，本发明采取的技术方案是，耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，包括三部分：灌浆施工过程动态监控与分析部分；建立预测地质与裂隙信息的三维精细地质模型，该模型与灌浆施工过程动态监控建立数据信息连接，能够随着监控信息的更新不断优化；最后耦合上述两部分数据信息，完成灌浆数值模拟。本发明主要应用于水利水电工程。
【专利说明】耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水利水电工程中耦合三维精细地质信息和灌浆监控信息的大坝灌浆数值模拟方法。特别涉及一种大坝坝基地质复杂，裂隙交错杂乱，地质信息与灌浆信息随灌浆过程的进行不断更新的情况下，能够实现准确模拟坝体复杂地质与裂隙信息并结合灌浆监控信息不断优化的大坝灌浆数值模拟方法。
技术背景
[0002]灌浆技术是使浆液结石体及采空区上部岩土层在灌浆后成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，从而达到改善采空区所在区域地层物理力学性质的目的，以满足各类土木建筑、岩土地基等的工程施工要求，灌浆技术被广泛地应用于地基工程、桩基工程、边坡工程、隧道工程和煤矿开采。目前研究灌浆技术的主要手段分为模型实验和数值模拟。灌浆数值模拟又包括浆液扩散过程的模拟、灌浆后岩层的稳定性模拟等方面，本发明主要解决水利水电灌浆工程中浆液的扩散及分布模拟方面的问题。
[0003]在国外，1956年，美国陆军工程兵团进行了单裂缝中浆液流动过程的模拟试验。Houlsby (1985)进行了单裂隙中浆液流动过程的模拟。M.J.Yang(2001)针对岩石裂隙产生的不确定性，采用蒙特卡罗法建立了多裂隙的岩石破碎带模型，将灌浆液作为宾汉姆流体处理，分别模拟了浆液在在单条和多条裂隙中的流动。BoIisett1.Tirupati (2003)提出了一个模拟多孔介质普通灌浆、帷幕灌浆的数值模型，该模型包括三维地下水径流渗透模型(M0DFL0W)、三维多物质化学反应转移模型(RT3D)、浆液凝结模块组成。Sadrnejad.SA (2006)提出了固结灌浆中渗透系数的变化规律，建立了模拟浆液在多孔介质中渗透的模型。S.Maghous (2007)建立了耦合质量守恒方程和广义渗流方程的模型，该模型考虑了流体粘度的变化和孔隙率的变化。Fatiha Bouchelaghem(2009)首先进行了以细沙为多孔介质的渗透灌衆实验，并建立了模拟衆液渗透的二维和三维数值模型。Luo Ping-Ping(2010)基于多分数布朗运动下的分型理论，构建了四组不同正则化尺寸的断裂面，对单一随机孔径断裂的灌浆过程进行了数值模拟。
[0004]现代灌浆技术在我国的发展历史较短，五十年代开始应用于土建工程中，但发展较快，某些方面已达列世界先进水平。在灌浆数值模拟方面，郝哲(1999)利用蒙特卡罗(Monte Carlo)法模拟岩体裂隙分布,编制开发出一套反映裂隙岩体中灌衆扩散情况的计算机模拟程序。杨米加(2001)在裂隙结构模拟的基础上，建立了裂隙网络非牛顿流体的渗流模型，提出确定灌浆参数的一般方法。阮文军(2003)建立了岩体裂隙的稳定性浆液灌浆扩散模型，并开发了计算机程序，该程序可以计算任意时刻的灌浆扩散范围、裂隙内某点处灌浆压力随时间的变化情况。王万顺(2005)将采空区冒落带、断裂带看作均值各向同性的岩层，假定浆液在其中的运动服从达西定律和质量守恒定律，建立了三维渗流有限元模型。闻常赫(2008)基于渗透灌浆的基本理论，将浆液作为牛顿流体，建立以灌浆孔为中心的三维渗流牛顿流体轴对称模型。罗平平(2010)参考二维平行板间不可压缩粘性流体的运动方程，分析推导了宾汉浆夜在等宽光滑倾斜裂隙中的流动方程。许万忠(2010)建立了浆液在岩石节理中的渗透概化模型，分析了浆液渗透规律。湛铠瑜(2011)假定浆液流态为层流，推导建立了单一裂隙动水注浆扩散模型，对单一裂隙动水注浆扩散模型进行了编程。程鹏达(2011)通过单孔渗透注浆的数值模拟，研究了考虑渗流场与应力场条件下，粘性时变性流体在多孔介质中的扩散规律。
[0005]从国内外所开展的一系列研究和应用来看，灌浆数值模拟主要是针对单一裂隙或者几条裂隙，所采用的理论模型多为一二维，这与实际灌浆工程中复杂交错布置的裂隙情况或者大面积的多孔灌浆情况差别较大，而且地质和裂隙模型均是通过理论推导得出来的，鉴于地质条件和裂隙的复杂及不确定性，很难能够建立准确的地质及裂隙模型。此外，灌浆过程的技术方案是随着灌浆实际情况的变化而变化的，要求灌浆数值模拟模型和实际灌浆方案紧密结合，随着才能达到为灌浆工程服务的目的。
[0006]参考文献:
[0007]
【权利要求】
1.一种耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，其特征是，包括三部分:灌浆施工过程动态监控与分析部分；建立预测地质与裂隙信息的三维精细地质模型，该模型与灌浆施工过程动态监控建立数据信息连接，能够随着监控信息的更新不断优化；最后耦合上述两部分数据信息，完成灌浆数值模拟。
2.如权利要求1所述的耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，其特征是，提出灌浆施工过程动态监控与分析具体为: (1)采用短距离无线网络技术和移动通信网络技术共同实现灌浆施工过程中的数据集中管理与传输； (2)对于短距离无线网络技术，具体是将在局部的多台灌浆记录仪通过短距离无线网络组成局域网，局域网中的灌浆记录仪的灌浆数据和抬动数据实时传输到短距离无线网络协调器中，然后将数据传递到施工管理计算机中； (3)对于移动通信网络技术，具体是将单个或者多个短距离无线网络中收集到的灌浆记录仪的数据，通过移动通信网络长距离发送到网络服务器中，经应用软件接收并解析各个短距离无线网络的数据后存储到数据库中，供施工管理人员通过互联网访问数据页面来达到查询和统计灌浆数据的目的； (4)水利水电工程灌浆过程中产生的大量数据主要包括灌浆参数信息和检查参数信息，灌浆参数信息通过无线传输技术实时采集至数据库，检查参数通过Excel接口程序进行数据采集。
3.如权利要求1所述的耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，其特征是，建立包括地质 与裂隙的三维精细地质模型具体为: (1)将水电工程地质数据分为确定性和统计性，对于确定性地质数据，采用三维混合数据结构，地质构造曲面和地质体的NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines)构造技术实现三维模型构建；对于统计型地质数据，采用蒙特卡罗技术(Monte Carlo)对三维裂隙网络进行构建； (2)针对三维地质模型与三维裂隙网络，基于布尔运算分析模型之间的空间位置关系，对重叠的地质体进行布尔差运算，从而实现各类地质模型在空间位置上的耦合； (3)结合灌浆监控信息，提取新增实测钻孔录像、岩芯照片的地质信息，用实测二维地质剖面线代替地质模型中相同位置的模拟地质剖面线，结合原有的确定性地质数据，实现岩层、断层、风化层、软弱夹层的三维模型的动态更新； (4)基于实测裂隙信息，对蒙特卡罗模拟得出的裂隙几何参数进行优化，通过动态校核技术，动态校核裂隙三维网络模型，从而实现三维网络裂隙模型的动态更新。
4.如权利要求1所述的耦合精细地质信息和监控信息的大坝灌浆数值模拟方法，其特征是，耦合三维精细地质模型和灌浆监控信息的数值模拟方法具体为: (1)基于建立的包含复杂地层信息的三维地质模型，通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)软件的数据接口，将包含复杂地质信息和裂隙信息的地质数据耦合转化为计算流体力学模型数据，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立网格模型，实现真实复杂地质信息在计算流体力学软件计算模型中的精确表达； (2)建立宾汉姆流体三维灌浆数值模拟模型-混合模型，该模型是把浆液和颗粒混合物作为整体来考虑的，其宾汉姆流体本构方程、连续性方程、动量方程、k- ε紊流封闭方程、混合速度方程和混合密度方程共同构成了该模型的基本方程，模型的灌浆参数包括孔隙率、粘度、岩体特性、空隙分布均来三维地质信息模型，并随着监控信息的更新不断实时调整灌浆参数与计算网格模型，实现与现场灌浆工程施工情况的无缝紧密结合，精确模拟灌浆效果；其中连续性方程、动量方程是主要流体流动控制方程，k-ε紊流方程为选取的紊流封闭方程，本构方程主要体现宾汉姆流体的特性，混合速度和密度方程体现注浆液中混凝土颗粒和水的混合速度和密度； (3)该模型的边界条件包括: 1)进口边界条件:根据实际工程确定宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，上述三个变量与灌浆监控系统实时连接，随监控信息的更新不断调整进口边界条件；根据工程设计的Ι、Π序孔，定义相应的两类进口条件，进行Ι、Π序孔的分序注浆； 2)出口条件:即压力边界，按局部单向化处理，在计算域的边界上，压力应满足诺依曼(Neumann)边 界条件，即第二类边界条件，该边界条件与灌浆监控系统实时连接，随监控信息的更新不断调整出口边界条件； 3)固体壁面边界条件:按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁面函数法； (4)该模型在确定基本控制方程和边界条件的设置与相关参数后，通过有限体积法进行离散，SIMPLE (Sem1-1mplicit Method for Pressure Linked Equations)算法进行求解，最终实现耦合三维精细地质信息与灌浆监控信息的三维灌浆数值模拟。
【文档编号】G06F17/50GK103984807SQ201410177316
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】王晓玲, 吴斌平, 周正印, 敖雪菲 申请人:天津大学