一种考虑热流固耦合的粗糙裂隙浆液扩散过程描述方法

本发明涉及地下注浆工程数据处理，具体涉及一种考虑热流固耦合的粗糙裂隙浆液扩散过程描述方法。

背景技术：

1、当前我国水利水电、交通隧道、能源矿山、等地下工程建设进入了空前繁荣期，不可避免地修建在地质条件复杂的裂隙岩体区。裂隙岩体渗透失稳诱发的事故，易造成恶劣社会影响；注浆是防控此类灾害的有效手段。然而，受限于岩体结构的复杂性与注浆工程的隐蔽性，裂隙岩体注浆理论研究严重滞后于工程实践，难以为地下工程裂隙围岩灾害注浆防治设计及过程动态优化提供科学依据。

2、近年来，为进一步揭示裂隙岩体注浆扩散机理，许多学者在试验与数值模拟的基础上，针对岩体裂隙平行流与裂隙辐射流两类浆液主要流动形态建立了多种浆液扩散模型，但粗糙裂隙注浆扩散模型较少，且多以解析解与稳态模型为主，该类模型要求注浆过程参数恒定不变，通过将注浆压力与注浆速率等参数代入模型直接获取扩散区最终压力分布、扩散距离等注浆关键参数，无法考虑多物理场耦合与全过程描述。然而，实际注浆工况中往往存在多个物理场，岩体的基本力学性质、岩体的温度、注浆过程中的参数变化以及注浆材料的物理性质变化均将显著影响浆液流场，且这些多物理场的耦合作用也将使得粗糙裂隙岩体浆液扩散更为复杂，使用现有解析解或静态模型难以计算，且因缺少专门的数值模拟软件，使得数值模拟研究存在开发难度大、模型收敛性差、多物理场求解困难等问题。

3、因此，现需要一种考虑热流固耦合的粗糙裂隙浆液扩散过程描述方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种考虑热流固耦合的粗糙裂隙浆液扩散过程描述方法，以解决现有技术中针对浆液扩散缺少专门的数值模拟软件，使得数值模拟研究存在开发难度大、模型收敛性差、多物理场求解困难的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种考虑热流固耦合的粗糙裂隙浆液扩散过程描述方法，具体包括如下步骤：

3、s1，利用三维扫描技术，获取粗糙裂隙上、下壁面高程集合与，计算天然粗糙裂隙开度集合。

4、s2，获取实际注浆工程区参数，包括：注浆速率，浆液初始密度，注浆时间，岩体温度t，浆液黏度时变函数。

5、s3，根据裂隙开度集合与注浆速率，计算不同扩散位置下每个裂隙空间单元所需的注浆时间。

6、s4，根据步骤s3获得的注浆时间，计算每个裂隙空间单元内浆液所存在于裂隙单元内用于与岩石发生传热作用的时间。

7、s5，根据黏度时变函数计算裂隙空间单元边界处的黏度。

8、s6，计算三种压力损失，包括：黏滞压降、浆液沿程压力损失、浆液重力势能变化量，将三种压力损失相加得到扩散单元的压力损失。

9、s7，根据步骤s6计算得到的扩散单元的压力损失，计算浆液锋面在第个单元边界时的注浆空间压力变化值。

10、s8，根据步骤s7计算的第个单元边界时的注浆空间压力变化值，计算该时刻下浆液扩散区各位置岩体变形量。

11、s9，更新各裂隙空间单元边界位置处的裂隙开度值。

12、s10，模拟浆液继续注入，更新时间步，循环步骤s3~步骤s9，当实际注浆时间时，注浆数值计算过程结束。

13、s11，输出任一时刻的浆液扩散距离、黏度、开度、温度及整个注浆过程中的压力值。

14、进一步地，步骤s1具体包括如下步骤：

15、s1.1，利用三维扫描技术获取粗糙裂隙上、下壁面高程数据集合与。

16、s1.2，将上、下壁面高程数据相减，获得天然粗糙裂隙开度集合，将连续的天然粗糙裂隙开度空间假设为以空间分辨率为距离的跳跃空间。

17、进一步地，步骤s3具体包括如下步骤：

18、s3.1，根据天然粗糙裂隙开度集合，计算浆液锋面到达第个单元边界时的总注浆量：

19、           (1)；

20、式(1)中，，是第一个单元位置前、后边界处的裂隙开度值，为裂隙空间单元长度。

21、s3.2，根据总注浆量与恒定注浆速率，确定浆液锋面到达第个单元边界时的实际注浆时间：

22、                        (2)；

23、各裂隙空间单元的所用时间可表示为：

24、            (3)。

25、s3.3，实际增加的注浆量为第个单元相较第个单元时增加的裂隙空间体积，即：

26、                     (4)；

27、   (5)。

28、进一步地，步骤s4具体包括如下步骤：

29、s4.1，根据浆液存在于岩体内的时间，计算裂隙内的浆液的温度变化：

30、            (6)；

31、式（6）中，为岩石温度，为浆液初始温度，为岩石热传导系数，为流体流速，为该时刻下的最大扩散距离，即，为浆液密度，为浆液的热比容。

32、s4.2，根据裂隙单元边界位置处浆液温度，计算裂隙单元内浆液的平均温度：

33、                     (7)；

34、式（7）中，为浆液锋面扩散到j单元边界时第i次注入的单元后端边界位置处的浆液温度，为与的平均温度。

35、进一步地，步骤s5具体包括如下步骤：

36、s5.1，考虑表观黏度的变化，根据黏度时变函数计算单元时间边界上的黏度；

37、                     (8)。

38、s5.2，随着裂隙空间单元长度越来越小，在每个裂隙单元内的浆液黏度为定值，通过取平均值计算单元边界位置处的浆液黏度：

39、              (9)；

40、为浆液锋面扩散到单元边界时第次注入的单元后端边界位置处的浆液黏度，为与的平均黏度。

41、进一步地，步骤s6具体包括如下步骤：

42、s6.1，计算每个裂隙空间单元的黏滞压降：

43、                        (10)；

44、式（10）中，为浆液锋面扩散到单元边界时入口处的注浆速率。

45、s6.2，利用borda公式计算浆液沿程压力损失：

46、                      (11)；

47、式（11）中，为浆液密度，为局部阻力损失系数，介于0~1之间。

48、s6.3，根据能量守恒定理，浆液重力势能变化量可表示为：

49、               (12)；

50、式（12）中，为裂隙单元前后边界位置的高度差，为浆液锋面扩散到单元边界时单元后端边界的高度，为裂隙单元倾角，为重力加速度。

51、s6.4，计算扩散单元(i，j)的压力损失：

52、             (13)。

53、进一步地，步骤s7中的浆液锋面在第个单元边界时的注浆空间压力变化值为：

54、                     (14)。

55、进一步地，步骤s8具体为：

56、采用goodman模型，岩体变形量的计算公式为：

57、                  (15)；

58、式（15）中，为裂隙变形临界压力，为法向弹性系数。

59、进一步地，步骤s9具体为：

60、利用公式(15)更新下一时刻扩散区各扩散单元起始位置与终止位置的裂隙开度与 ：

61、                 (16)；

62、式（16）中为初始裂隙开度。

63、本发明具有如下有益效果：

64、本发明基于牛顿迭代算法原理与matlab软件矩阵式计算思路，提出了矩阵迭代算法，实现了考虑热流固耦合作用的粗糙裂隙注浆浆液扩散全过程描述。

65、本发明考虑了裂隙的粗糙程度、浆岩耦合作用、浆岩热交换作用、浆液黏度时空温变化、浆液沿程压力损失、浆液势能转化等多个因素，实现了多物理场的耦合联立。

66、本发明实现了浆液扩散中任一时间、位置的注浆参数的全过程描述与记录，计算速度快，且所有数据均能以矩阵的形式保存，方便过程中新的二次开发与物理场添加。

67、本发明为裂隙注浆浆液扩散机理研究与注浆封堵工程提供了一种新的多物理场耦合计算思路，解决了当前数值模拟软件二次开发困难、计算长、容易不收敛等问题。