裂隙形态与注浆参数对动水条件下粗糙岩体裂隙浆液扩散行为的影响机制数值模拟研究

本文采用CLSVOF方法、菱形-方形算法和Bingham流变模型，建立了动水条件下粗糙岩体裂隙浆液-水两相流数值模型，系统研究了裂隙粗糙度（JRC）、裂隙开度、注浆孔直径、水流速和注浆压力对浆液扩散形态（如U型分布）、冲刷效应和封堵效率（SE）的影响。结果表明，增大注浆孔直径可显著提升扩散速度与封堵效能，而过高注浆压力对最终SE的改善作用有限。该研究为水压断层动水注浆策略优化提供了重要理论依据。

　　

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Governing equations

本研究采用浆液-水两相流模型表征粗糙岩体裂隙中的动水注浆过程，通过CLSVOF方法模拟动水条件下浆液在裂隙中的扩散行为。假设浆液与水均为不可压缩且不互溶流体，其运动由不可压缩Navier-Stokes方程控制：

?·u=0

?(ρu)/?t + ?·(ρuu) = -?p + ρg + F_sf + ?·μ[?u + (?u)^T]

其中u为速度矢量，ρ为密度，p为压力，g为重力加速度，μ为动力黏度，F_sf为表面张力项。

Model verification

为验证本研究所建动水注浆两相流数值模型的准确性，推导了Bingham流体（浆液相）在饱和裂隙中驱替牛顿流体（水相）的解析解，并与数值模拟结果进行对比（图4a）。裂隙开度为b、长度为L，且满足b? L/100的几何假设，视为平行板结构。

Influences of fracture roughness

为探究裂隙形态对动水注浆扩散行为的影响，采用不同节理粗糙度系数（JRC=8.7、24.6、35.1）的三维粗糙裂隙模型进行数值模拟。在注浆压力P=2 kPa和3 kPa、裂隙开度1.0 mm、水流速4.0 cm/s、注浆孔直径1.0 mm条件下，结果显示（图8）：裂隙粗糙度增加可减弱动水冲刷作用，并显著提升流体压力。

Discussions

大量研究表明裂隙形态与注浆参数对动水注浆效果具有显著影响。为进一步量化裂隙粗糙度（JRC）和注浆参数（r, d, V_w, P）对扩散行为（P_max, R_s, W_r, SE）的影响程度，采用Pearson回归算法计算相关系数（Pcc）。

Conclusions

本研究通过CLSVOF方法揭示了裂隙形态与注浆参数对动水条件下粗糙岩体裂隙浆液扩散行为的影响机制，提出了一种新型三维粗糙裂隙建模方法，并基于理论解与实验结果对模型进行验证。结果表明，裂隙粗糙度增加可抑制水流冲刷、提升流体压力；而注浆孔直径扩大能显著加速浆液扩散并提高封堵效率。