摘 要:
針對目前常見的裂隙巖體灌漿數值模擬研究多采用固定灌漿壓力和水灰比與現有的變壓變漿施工工藝不符,且現有研究中裂隙網路建模精度較低,導致數值模擬與實際灌漿結果存在較大差異的問題,提出了考慮變壓變漿的三維精細裂隙網路灌漿數值模擬方法。透過引入相關一致性準則對拉丁超立方抽樣進行改進,降低裂隙引數模擬過程的隨機性,以提高裂隙網路的精度;進一步地,提出一種考慮變壓變漿多孔分序灌漿模擬方法,透過實時統計模擬過程中灌漿孔內流量和累計注漿量的變化,根據規範對灌漿壓力和漿液水灰比進行動態調節,實現灌漿過程精細化模擬。以楊房溝水電站帷幕灌漿工程為例進行案例分析,結果表明:與傳統灌漿數值模擬相比,本文提出的模擬方法得到的漿液擴散半徑更大,最終形成的灌漿帷幕範圍更大更完整,且注灰量預測精度更高。相較於傳統多孔分序灌漿模擬,該方法精度提高一倍以上,表明所提方法更具優越性。
關鍵詞:
灌漿工程;數值模擬;巖體裂隙網路建模;變壓變漿;多孔分序灌漿;
作者簡介:
郭輝(1996—),男,碩士研究生,主要從事灌漿數值模擬研究。E-mail:[email protected];
*吳斌平(1988—),男,副教授,博士,主要從事水利水電工程施工模擬與實時控制分析技術研究。E-mail:[email protected];
基金:
國家重點研發計劃(2018YFC0406704);
引用:
郭輝,吳斌平,王佳俊,等.考慮變壓變漿的三維精細裂隙網路灌漿數值模擬[J]. 水利水電技術(中英文),2021,52(11) :108⁃ 119.
GUO Hui, WU Binping, WANG Jiajun, etal. Variable pressure and variable water cement ratioconsidered 3-Dnumerical simulation of fine fissure⁃network grouting [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021,52(11):108⁃119.
0 引 言
灌漿技術是解決大壩基岩滲漏、提高基礎穩定性的有效手段之一。眾多裂隙巖體灌漿學者認為,對於水泥漿液等黏度較大的液體,裂隙是其最主要的擴散路徑。目前對於裂隙巖體灌漿的研究主要分為灌漿理論推導、物理模型試驗以及灌漿過程數值模擬。在理論推導方面,由於存在像將裂隙視為光滑平板等假定,且分析過程複雜繁瑣,目前沒有形成一套成熟的、能夠對實際灌漿施工進行有效指導的灌漿理論。而物理模型試驗需要做出大量簡化,難以還原巖體中縱橫交錯的裂隙和複雜的施工工況,並且成本較高、耗時較長。因此研究還多集中在對單裂隙中漿液擴散規律以及漿液時變性的研究。
近年來,隨著計算機技術的發展,灌漿數值模擬技術成為研究裂隙巖體灌漿過程的熱點之一。利用數值模擬技術對灌漿過程進行研究可以更為直觀和細緻的展示灌漿施工中裂隙內漿液的動態變化,且具有靈活、經濟等特點。數值模擬技術一方面可以探索漿液在裂隙中的擴散規律,完善灌漿相關理論,另一方面可以模擬得到實際灌漿工程所關注的注灰量等。因此,在裂隙灌漿數值模擬方面,國內外學者已經開展了大量的研究。
郝哲等利用Monte-Carlo模擬了裂隙的分佈,建立了一套反映二維巖體裂隙中灌漿擴散模擬的程式。YANG等運用有限元技術,對單一粗糙裂隙中水泥漿液擴散情況開展了數值模擬研究。LI等採用連續擴散凝固(SDS)方法,並考慮了料漿黏度的時空演化,對漿液在不同流速下在單裂隙中的擴散過程進行了數值模擬,並分析了流速對灌漿壓力變化等的影響。王東亮等在冪律流體本構方程的基礎上推匯出了冪律流體的漿液擴散方程,並且建立了考慮流固耦合作用的單一裂隙灌漿數值模擬模型,研究了灌漿壓力、漿液密度等因素對漿液擴散和裂隙變形的影響規律。OMID等採用UDEC軟體,建立二維裂隙網路模型,研究了巖體裂隙中漿液的擴散過程和擴散距離,並且在文末推薦使用3DEC軟體進行更加符合實際情況的漿液擴散數值模擬。王曉玲等利用3DEC軟體在考慮流固耦合作用的基礎上對單裂隙中漿液擴散過程進行了數值模擬研究,得到了灌漿量及灌漿時間等成果。ZHU基於三維隨機裂隙網路模型,透過CFD(計算流體力學)和CSD(計算結構動力學)的互動實現了灌漿過程中漿液擴散與巖體變形之間的耦合分析。
綜上所述,現有的灌漿數值模擬中主要存在以下研究思路:(1)透過建立單一節理裂隙,模擬漿液在單裂隙中流動,探究各灌漿引數對於漿液流動、滲透規律的影響;(2)建立二維或三維裂隙網路,近似模擬施工過程中漿液在壩基中的擴散過程,研究各引數對於注漿效果及注漿成果的影響。然而,現有的裂隙巖體灌漿數值模擬方法限於計算量對灌漿施工引數做出了大量簡化,均採用固定的灌漿壓力和漿液水灰比,且建立的裂隙網路精度低,與實際灌漿施工工藝和工程地質條件存在較大的差異,嚴重製約了數值模擬精度。
針對上述問題,本文提出基於改進拉丁超立方抽樣裂隙精細建模的變壓變漿三維多孔分序灌漿模擬方法。首先,利用改進的拉丁超立方抽樣方法進行裂隙引數隨機模擬,彌補普通拉丁超立方抽樣的隨機性強、抽樣結果虛假相關的不足,實現裂隙網路的精細化模擬;其次,透過實時統計模擬過程中灌漿孔段內灌入漿液的流量變化、已經灌注的漿液體積等,根據施工規範進行漿液壓力、水灰比調節,進而採用三維離散元技術實現灌漿過程的精細化模擬。以楊房溝水電站基岩帷幕灌漿為例進行研究,重點對比分析了所提方法與傳統多孔分序灌漿方法獲得的裂隙內壓力場和裂隙內漿液擴散情況,同時將數值模擬得到的注灰量與現場實際注灰量進行了對比,驗證了所提方法的優越性和可靠性。
1 基於改進拉丁超立方抽樣的三維精細裂隙網路建模
1.1 改進拉丁超立方抽樣
大壩基岩地質條件錯綜複雜,內部裂隙縱橫交錯,無法在保證基岩完整的前提下確定其內每條裂隙的產狀資訊。因此,如何更加真實可靠的描述巖體內部的裂隙情況是當前研究的焦點。離散裂隙網路(Discrete Fracture Network, DFN)利用揭露面裂隙素描圖、鑽孔錄影以及巖芯取樣等方法獲得的裂隙資料,統計分析其引數分佈規律,藉助隨機模擬方法,建立精確反映巖體內裂隙空間分佈情況,產狀、跡長以及隙寬等資訊的二維或三維裂隙網路模型,是當前主流的裂隙建模方式。傳統的Monte-Carlo模擬方法穩定性差、精度低,需要大量的複雜抽樣才能保證結果的準確性,且容易陷入樣本崩坍,而拉丁超立方抽樣方法能很好地解決上述問題。
拉丁超立方抽樣(Latin Hypercube Sampling, LHS)將抽樣總體按照特定的設定劃分為特定的分層,從每個分層中抽取特定數量的樣本,使得樣本的結構層次與整體保持一致,避免了Monte-Carlo法易陷入樣本崩塌的不足;並且其抽樣不受樣本水平和範圍的限制,十分靈活。然而,拉丁超立方抽樣隨機性較強,抽樣結果的代表性不能保證,會造成樣本點與總體偽相關。因此為了保證裂隙抽樣結果與實測值的一致性,減少抽樣的隨機性,本文引入採用相關一致性準則對拉丁超立方抽樣進行了改進,能夠使樣本與實測值分佈性相同,保證裂隙抽樣結果與實測值一致,減少了抽樣結果的虛假相關,並提高模擬結果的精度。
拉丁超立方抽樣的計算過程如下:對於某一個裂隙引數X,其分佈函式符合Y=F(X),對分佈函式進行求導運算得到機率密度函式,並獲得引數抽樣區間[ymin,ymax];將抽樣區間劃分為k個距離相等且不交叉的子區間,在每一個子區間內抽取相同數量的抽樣點Yi,並利用函式X=F-1(Y)求得對應的模擬值Xi。
改進拉丁超立方抽樣在普通拉丁超立方抽樣完成後增加了相關性一致檢驗,即
1.2 基於ILHS的三維精細裂隙網路模型建模流程
基於改進拉丁超立方抽樣的三維精細裂隙網路建模流程包括裂隙資料的採集、裂隙優勢組劃分、裂隙產狀機率分佈模型確定,裂隙引數隨機模擬和裂隙建模視覺化。裂隙資料採集藉助揭露面和鑽孔錄影獲得實際裂隙產狀資訊,是精細裂隙網路建模的前提;裂隙優勢組劃分即根據裂隙產狀的分佈規律,把產狀近似相同的裂隙進行整合,其決定了裂隙網路的複雜程度;裂隙產狀機率分佈模型的確定是建立三維精細裂隙網路模型的基礎;基於改進拉丁超立方抽樣的裂隙引數隨機模擬方法是精細建模的重要手段;模型視覺化是對模型精度的最後檢驗,基於以上步驟建立的三維精細裂隙網路模型是保證灌漿數值模擬精度的基礎。本文提出的三維精細裂隙網路模擬流程如圖1所示。
2 考慮變壓變漿的多孔分序灌漿數值模擬
針對現有的灌漿數值模擬方法在模擬過程中均採用固定的灌漿壓力和水灰比,難以反映灌漿過程中漿液在裂隙中的擴散情況,導致模擬結果與實際存在較大誤差的不足,根據現有灌漿施工規範提出一種隨灌漿孔內流量和累計注漿量變化變換灌漿壓力和水灰比的三維多孔分序灌漿模擬方法,較好的將實際灌漿施工情況對映至數值模擬過程中,提高模擬精度。
2.1 基於三維離散元法的灌漿模擬基本理論
三維離散元方法自提出以來就受到眾多國內外學者的關注,由於其在解決非連續介質方面有著巨大的優勢,成為目前岩石力學、地下空間等領域數值計算的重要手段之一。
離散元法能較為真實地模擬巖體內結構面的真實賦存狀態和其非線性變形特徵,利用離散元技術解決灌漿施工問題時,假設完整的巖塊是不透水的,各巖塊之間的裂隙組成了漿液的擴散網路,水泥漿液在裂隙中的擴散規律符合改進的立方定律,其中水灰比大於1的漿液可視為牛頓型漿液,其在裂隙中的擴散規律如下
式中,q為單寬流量;u為裂隙寬度;ρ為漿液密度;g為重力加速度;μ為漿液動力黏度;F為修正係數;h為水力坡降。
漿液水灰比小於等於1的為賓漢姆型漿液,其在裂隙中的擴散規律如下
式中,Δp為壓力梯度;τ0為漿液屈服強度;其他引數含義同上。
2.2 考慮變壓變漿的多孔分序灌漿數值模擬方法
為保證灌漿完成後水泥結石的密實性,灌漿施工通常採用分序加密的灌漿方法,對於單排孔灌漿帷幕,灌漿孔序一般分為Ⅰ序孔、Ⅱ序孔和Ⅲ序孔,施工工序為先灌Ⅰ序孔,再灌Ⅱ序孔,最後灌Ⅲ序孔。根據李瑞金提出的多孔分序灌漿模型,每個灌漿孔都將經歷灌前、灌中和灌後三種狀態,如圖2所示。灌前,灌漿孔設定為不透水邊界,防止模擬過程中串漿等不良情況發生;灌中,賦予灌漿孔設定的壓力入口邊界情況,模擬灌漿孔內灌漿壓力的輸入;灌後,灌漿孔設定為固定壓力邊界,模擬灌漿完成後已灌入的水泥漿液形成的部分帷幕。上述研究方法在模擬過程中雖然考慮了孔序對灌漿施工的影響,但在模擬中採用實際灌漿施工中水灰比和灌漿壓力的平均值代替真實的水灰比和灌漿壓力,忽略了水灰比和壓力變換對灌漿施工的影響,使得模擬得到的漿液擴散情況和灌漿施工效果與實際情況存在一定的誤差。
因此,為了儘可能讓灌漿數值模擬過程接近實際灌漿工程,還原真實的漿液擴散情況和灌漿施工效果,本研究根據施工規範提出了一種考慮壓力和漿液水灰比變化的多孔分序灌漿數值模擬方法,在數值模擬過程中對灌漿孔進行分序模擬,每一序灌漿孔內的灌漿壓力和水灰比根據孔內的漿液流量變化和累計注漿量進行相應的變化。
根據《水工建築物水泥灌漿施工技術規範》(DL/T 5148—2012)要求制定的漿液變換原則具體如下:(1)當灌漿壓力保持不變、注入率持續減小,或注入率不變而壓力持續升高時,不得改變水灰比;(2)當某級漿液注入量已達300 L以上,或灌漿時間已達30 min, 而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時,應採用濃一級的水灰比;(3)當注入率大於30 L/min時,可根據具體情況越級變濃。
在模擬過程中,將壓力分為幾個階段,逐級升高到規定的壓力值。在灌漿開始時,如果吸漿量大,則使用最低一級的壓力灌注;當單位吸漿量減少到一定限度(稱為下限)時,則將壓力升高一級;當單位吸漿量又減少到下限,則再升高一級壓力。如此進行下去,直到在規定壓力下灌至單位吸漿量達到結束標準時,結束灌漿。
在數值模擬過程中,實時統計灌漿孔段內灌入的漿液流量變化、已經灌注的漿液體積,根據上述規範進行灌漿壓力、水灰比調節,實現灌漿施工過程的精細化模擬。
3 應用結果分析與驗證
根據上述提出的裂隙模型和灌漿模擬模型,以楊房溝水電工程帷幕灌漿工程為例,進行考慮變壓變漿的三維精細裂隙網路灌漿數值模擬研究,揭示漿液在裂隙網路中的擴散規律並獲得模擬注灰量,透過將模擬結果與實際資料對比分析,驗證模型的優越性和可靠性。
3.1 工程概況
楊房溝水電站位於四川省涼山彝族自治州木裡縣境內的雅礱江中游河段,為I等大(1)型工程。水庫總庫容為5.125億m3,正常蓄水位2 094 m, 相應庫容為4.558億m3,死水位2 088 m, 相應庫容為4.019 5億m3。鑑於左、右岸壩肩巖體內小斷層及節理裂隙較發育,因此需要對其進行灌漿處理。帷幕灌漿主要集中在左、右岸三層灌漿平洞,帷幕灌漿孔的最大孔深為93 m, 帷幕灌漿16萬m3。
研究區域灌漿施工單元劃分如圖3所示,本文選取左岸2102高程灌漿帷幕為研究物件,開展了考慮變壓變漿的三維精細裂隙網路灌漿數值模擬研究。
3.2 三維精細裂隙網路模型對比驗證
為驗證本研究提出的改進拉丁超立方抽樣方法的優越性,將其與拉丁超立方抽樣進行對比,從定性和定量兩方面對裂隙建模結果進行對比。根據揭露面裂隙產狀和先導孔錄影將裂隙分為3組,部分裂隙引數統計和抽樣結果如表1所列。兩種方法建立的裂隙網路模型如圖4所示,其中(a)、(b)為兩種方法的三維模型對比圖,(c)、(d)為兩種模型揭露面位置裂隙分佈情況。揭露面位置裂隙素描圖與三維裂隙網路模型對應位置處的剖面圖如圖5所示。
圖5 不同抽樣方法建模2D剖面與裂隙素描圖對比(以第1組為例)
如圖4所示,分別利用LHS方法和ILHS方法獲得的裂隙在空間上分佈均勻,產狀趨勢與實測裂隙基本一致。如圖5所示,兩種方法獲得的揭露面上的裂隙分佈情況的總體趨勢一致,與實際裂隙分佈近似,但採用ILHS方法建立的三維裂隙網路模型比LHS方法建立的模型與實際裂隙素描圖更為接近,精度更高。
利用相對誤差來衡量兩種方法建立的三維裂隙網路模型與實測裂隙引數的差異,相對誤差計算公式如下
式中,ε為相對誤差;M為利用抽樣方法建立的裂隙模型引數均值;F為實際裂隙引數均值。
如表2所列,採用 ILHS 抽樣方法建立的裂隙模型的模擬結果優於LHS抽樣方法獲得的裂隙模型;並且利用ILHS 方法獲得抽樣結果與真實值擬合程度更好,模型更為接近實際裂隙,從定量的角度說明了ILHS方法的優越性。應用本文所提出的ILHS方法最終建立的楊房溝左岸2102灌漿帷幕區三維精細裂隙網路模型如圖6所示,模型尺寸為24 m×4 m×54 m(長×寬×高)。
3.3 灌漿數值模擬結果對比與分析
3.3.1 邊界條件設定
以楊房溝左岸2102高程帷幕灌漿智慧試驗一區為為例進行分析,其中包含3個Ⅰ序孔、3個Ⅱ序孔和7個Ⅲ序孔,共計13個灌漿孔,其中部分灌漿孔佈置如圖7所示。灌漿孔深度為54 m, 採用自上而下孔口封閉分段灌漿,段長劃分如表3所列。灌漿孔深度為54 m, 段長按照第一段2 m, 第二段3 m、第三段及以下段長為5 m不足5 m的按照實際長度劃分。
此次模擬計算按照實際灌漿段將模型劃分為12段,每段模型單獨模擬計算。將3.2節建立的裂隙模型與灌漿塊體模型相耦合,建立耦合多孔的三維精細裂隙網路灌漿模型。其中第7段灌漿模型如圖8所示,採用四面體有限差分網格技術對模型進行了網格劃分,網格尺寸為0.1 m, 共計劃分網格2 138 936個,圖中顏色差異代表被裂隙切割形成的離散塊體。
灌漿模型的邊界條件設定如圖8所示,模型上部和四周設定為不透水邊界;底面設定為靜水壓力邊界,設定灌漿孔壁為壓力入口。灌漿孔佈置以及塊體內裂隙分佈情況如圖9所示。
3.3.2 灌漿模擬引數設定
按照設定的灌漿引數,該區域灌漿過程中採用多級水灰比灌注,按照從稀到濃的原則進行變化,具體水灰比變換原則參照2.2節,漿液水灰比按照用3、2、1、0.8、0.5五個比級逐級變濃。
設計灌漿壓力如表3所列,具體升壓原則參照2.2節。
按照《水工建築物水泥灌漿施工技術規範》(DL/T 5148—2012)中的相關要求,在設計灌漿壓力下,該灌漿段注入率小於 1 L/min, 持續灌注 60 min, 即結束該段灌漿。
為進一步監控灌漿過程中漿液壓力的時程和沿程變化,在靠近灌漿孔附近沿軸線選取11 個監控點,編號J1—J11,其中28和32號灌漿孔為I序孔,30號為II序孔,27、29和31號為III序孔。
3.3.3 灌漿模擬效果分析與驗證
本文根據帷幕灌漿施工規範要求,在整個計算過程中對灌漿孔進行分序模擬,每一序灌漿孔內的灌漿壓力和水灰比根據孔內的漿液流量變化和累計注漿量進行動態調節,確保與實際灌漿施工工藝相吻合。為了驗證所提出的考慮變壓變漿的多孔分序灌漿模型的精度,將本模型模擬結果與傳統採用灌漿壓力和水灰比均值的多孔分序模型結果進行對比,考慮變壓變漿的多孔分序灌漿模型和傳統多孔分序模型塊體內漿液壓力雲圖分別如圖10、圖11所示。
如圖10(a)、圖11(a)所示,Ⅰ序孔之間孔距較大,各孔的壓力擴散相互不受影響;如圖10(b)、圖11(b)所示,II序孔在兩個I序孔之間起到加密作用,II序孔灌漿形成的壓力場在邊緣與I序孔產生了交叉重疊,初步形成了灌漿帷幕;如圖10(c)、圖11(c)所示,Ⅲ序孔處在I序孔和II序孔之間,漿液的灌入使得初步形成帷幕更加完整,在III序孔灌漿結束,已經形成了一個完整的防滲帷幕。將圖10與圖11對比可明顯看出,考慮變壓變漿的多孔分序灌漿模擬相較於傳統的多孔分序灌漿數值模擬,漿液的擴散半徑更大,最終形成的灌漿帷幕較傳統施工更寬更完整。
為了定性的描述兩種模擬方式壓力的擴散情況,在各灌漿孔周圍設定了11個監控點。兩種數值模擬方式得到的監控點壓力變化如圖12、圖13所示,從單一圖看出先灌孔對後續孔壓力已產生影響,後灌孔需要更高的灌漿壓力才能將漿液順利灌入。如圖12、圖13所示,考慮變壓變漿的多孔分序灌漿模擬能夠在不造成抬動和劈裂的情況更加合理的將壓力升至設計灌漿壓力,而傳統的數值模擬只能以平均壓力和水灰比自始而終的進行灌漿模擬,造成前期升壓快流量大可能引起抬動和裂隙的劈裂,而後期達不到設計壓力導致一些裂隙末端和隙寬較小的裂隙無法灌入漿液,這也解釋瞭如圖10所示最終形成的灌漿帷幕寬度較窄並且不夠完整的原因。因此,傳統的多孔分序灌漿模型難以真實反映實際灌漿施工效果,本文所提出的模型具有一定的優越性。
為了驗證所提出的模擬方法的優越性,本節選取左岸2102高程GPL1-ZWM-27到GPL1-ZWM-32第七段共計六個灌漿孔的兩種模擬方法得到的注灰量模擬結果,模擬結果如表4所列。對比分析可得,提出的考慮變壓變漿的多孔分序灌漿模擬結果精度明顯高於傳統的數值模擬方法,因此提出的模擬方法具有一定的優越性。
本文對楊房溝左岸2102高程帷幕灌漿試驗1區共計13個灌漿孔進行了模擬工作,除左岸2102高程GPL1-ZWM-28灌漿孔第八段等少數孔段在施工時產生了串冒漏等特殊情況,誤差達到50%以上以外,其他孔段的誤差均在15%以內。而這些特殊孔段的誤差也顯示了所提出的灌漿模擬方法的準確性,能夠從側面指出這些孔段可能存在除裂隙外其他的不良地質缺陷或灌漿施工過程出現了其他特殊情況,為灌漿施工提供及時的反饋。
4 結 論
針對現有灌漿數值模擬方法簡化施工引數、均採用固定的灌漿壓力和水灰比、且裂隙網路精度較低的不足,本文提出了考慮變壓變漿的三維精細裂隙網路灌漿數值模擬方法,並取得了以下成果:
(1)引入相關一致性準則對拉丁超立方抽樣進行了改進,克服了傳統裂隙抽樣方法隨機性強,在裂隙引數隨機模擬過程中易陷入樣本崩塌的不足。
(2)在建立的三維精細裂隙網路模型模型的基礎上,根據現有灌漿施工規範提出了一種隨流量和累計注漿量的實時變化動態調節灌漿壓力和漿液水灰比的多孔分序灌漿模擬方法,較為真實地還原了實際灌漿施工過程。
(3)工程應用表明,本文提出的基於ILHS的裂隙建模方法建立的三維精細裂隙模型相比於LHS抽樣法,與實際裂隙分佈具有更高的相關性,精度更高;在此基礎上建立的考慮變壓變漿的多孔分序模擬方法最終形成的灌漿帷幕範圍更大更完整,符合實際的灌漿施工結果,並且注灰量預測上精度更高,驗證了所提方法的優越性。
水利水電技術(中英文)
水利部《水利水電技術(中英文)》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊(月刊),為全國中文核心期刊,面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護,以及水利水電工程的勘測、設計、施工、執行管理和科學研究等方面的技術經驗為主,同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、執行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。