自膨胀高聚物注浆材料在充水裂隙中的扩散机理研究

This project is positioning water hazard prevention of fractured rock mass which is a hot problem in safety protection of underground engineering. Aiming at the present situation of insufficient theoretical research on polymer grouting, the model test, theoretical analysis and numerical situation are used to study expansile polymer grouting material’s diffusion mechanism in water-bearing fissure. Investigate the affects of water pressure, fracture aperture, grouting volume and reaction time on diffusion form and range of polymer grout by performing grouting model test. Based on the test results, the principles of polymerization and the theory of viscosity fluid mechanics, deduce the polymer’s diffusion model in water-bearing fissure. Based on computational fluid dynamics theory, create numerical simulation method for polymer expanding and diffusing in fissure by synthetically using FVM for discreting governing equations of the two-phase flow system of polymer and water, adopting Levelset method to track the interface of the two phase fluid, and employing SIMPLER algorithm to iteratively solve momentum discretization equation and pressure, velocity correction equation. Modify the parameters and boundary conditions of simulation model in accordance with the experimental data. By virture of numerically simulating polymer’s flowing and filling process, investigate the distribution characteristics of flow field, study the interaction between polymer and water, and analyze the influence rule of different factors on polymer’s diffusion behavior, as reveals the diffusion mechanism of polymer grout in water-bearing fissure.

本项目定位于裂隙岩体水害防治这一地下工程安全防护领域较为突出的热点问题，针对高聚物注浆理论匮乏的现状，拟采用模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法研究自膨胀高聚物注浆材料在充水裂隙中的扩散机理。通过开展注浆模型试验，研究水压力、裂隙开度、注浆量、时间等因素对浆液扩散形态、范围的影响；以试验结果为依据，基于聚合反应机理和粘性流体力学理论，建立高聚物在充水裂隙中的扩散模型；基于计算流体动力学理论，采用FVM离散高聚物-水两相流动系统的控制方程，用Levelset方法追踪两相流体移动界面，用SIMPLER算法迭代求解动量离散方程及压力、速度修正方程，建立高聚物在充水裂隙中膨胀扩散的仿真分析方法；以试验数据为基准，修正仿真模型参数和边界条件；通过对高聚物流动填充过程的模拟再现，研究流场分布特征，探讨浆液与水的相互作用，剖析各因素对浆液扩散行为的影响规律，揭示高聚物在充水裂隙中的运移机制。

自膨胀高聚物注浆材料已广泛应用于岩体工程防渗加固，但关于其扩散机制尚缺乏深入认识。本项目采取模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法研究自膨胀高聚物注浆材料在充水裂隙中的扩散机理，取得的主要成果如下：. 1、研制了充水裂隙高聚物注浆模型试验装置，开展了高聚物模拟注浆系列试验，测试了不同注浆量、裂隙开度、静水压力等条件下浆液的扩散行为；试验研究了高聚物浆液流变特性和不同水压力下的膨胀特性，为开展理论分析、研究浆液扩散机制提供了实测依据。. 2、以已知密度随时间变化规律的理想自膨胀浆液为对象，基于黏性流体力学理论，考虑浆液初始充填范围、裂隙开度、时间、膨胀系数等因素，推导了浆液在平面单裂隙中的径向扩散模型，并对其合理性和正确性进行了数值验证，该模型的提出对于自膨胀浆液裂隙注浆理论研究具有参考价值。. 3、基于计算流体动力学理论，综合运用现代流场计算方法和移动界面追踪技术，建立了一种变密度浆液在充水裂隙中流动扩散仿真分析方法。该方法采用FVM离散浆液-水两相流动系统控制方程，用Youngs方法追踪浆液-水两相流体移动界面，用SIMPLE算法迭代求解动量离散方程和压力、速度修正方程，实现了对浆液-水两相流动系统的数值求解，为深入研究自膨胀高聚物注浆材料在裂隙岩体中的扩散机制奠定了基础。. 4、结合模型试验结果，修正仿真模型参数，在此基础上模拟分析了不同条件下高聚物膨胀扩散过程，剖析了不同因素（水压力、裂隙开度、注浆量、时间）对浆液扩散行为的影响，分析了浆液运移过程和流场分布特征，探明了浆液与水的相互作用，揭示了高聚物在充水裂隙中的扩散机制。. 本项目成果填补了高聚物裂隙注浆机理研究的空白，丰富了现代注浆理论，对于发展裂隙岩体水害防治高聚物注浆技术具有指导作用，在地下工程安全防护领域具有广阔的应用前景。