基于COMSOL的注浆渗透扩散规律数值研究

黄河飞

摘 要：该文基于COMSOL软件模拟了注浆后浆液在单一光滑平板裂隙中渗透扩散现象，研究了水灰比、注浆压力对浆液扩散渗透的影响规律。结果表明：水灰比在1.5：1左右浆液性能优越；渗透压力随浆液扩散有效距离增加而降低。

关键词：COMSOL；浆液渗透；水灰比、裂隙张开度；注浆压力

中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0250-01

1 模拟软件介绍

COMSOL Multiphysics以有限元为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现单场或多场物理现象的仿真模拟。在弥散、流体动力学、多孔介质、传动现象等几乎全部领域都得到了广泛的应用，计算性能高效、多场双向直接耦合分析能力突出，且仿真结果高度精确。

2 计算模型与参数

2.1 模型与网格划分

计算模型采用100cm×100cm×4mm，注浆孔直径为10mm，布置在模型中心，采用三角形网格，注浆孔边缘网格自动加密，如图1所示。

2.2 模拟参数选择

研究表明，水灰比、裂隙张开度和注浆压力分别代表了浆液属性、受注介质岩体裂隙几何特征以及注浆外界参数。该文用COMSOL软件分别对这三种影响因素设置不同参数研究浆液扩散的规律。

3 模拟结果分析

3.1 水灰比对浆液扩散渗透的影响

注浆浆液扩散渗透与三种因素有关，浆材自身属性决定了浆液最基本的扩散方式，用Comsol软件模拟水灰比对浆液扩散规律影响时，模型注浆压力均取为10Pa，裂隙张开度取为1.5mm，水灰比分别为0.8：1、1：1、1.5：1、2：1.

浆液在无动水条件下扩散，每间隔10s进行一次扩散形态以及浆液扩散距离处理，无动水条件下且注浆压力和裂隙张开度均保持不变，浆液扩散范围主要取决于浆液自身属性，在此即表现为水灰比的影响。四组不同浆液水灰比对应浆液有效扩散范围如图2所示。

從图2可看到浆液扩散模拟图形呈圆形，有效扩散范围在注浆孔位置轴对称分布；浆液水灰比从0.8：1→1：1→1.5：1逐次增加时，同一注浆时刻浆液扩散距离随之增加，且100s后水灰比为1.5：1浆液扩散距离为34.2cm，较0.8：1的8.1cm和1：1的14.5cm分别增加了近3.25、1.36倍，说明在一定范围内，浆液渗透扩散距离随水灰比增加而显著增加。但当水灰比为2：1时，扩散有效距离却比水灰比为1.5：1时小的多，验证了浆液水灰比在1.5：1左右时性能较优越。

3.2 注浆压力对浆液扩散渗透影响研究

注浆参数很大程度上决定了注浆施工的成败，参数选择不合理，不仅不能满足注浆加固围岩或堵水封闭的效果，还会造成浆材的大量浪费。注浆压力在注浆参数中占据重要地位，模拟注浆压力改变对浆液扩散渗透的影响对其参数选择具有重要的指导意义。因模拟选用模型与建立实物匹配、均较小，注浆压力选择也较小，但其对浆液扩散规律的影响也能正确反映实际注浆施工中大注浆压力对工程的影响。模型中选择10Pa、100Pa、200Pa和500Pa，间隔10s对浆液扩散有效距离进行处理。注浆压力增加时，浆液有效扩散距离也随之增加，但改变甚微，即裂隙注浆渗透扩散有效距离对注浆压力敏感度较小。

4 结语

（1）一定范围内，同一时刻浆液扩散距离随水灰比增加而增加；模拟浆液最终扩散距离，水灰比为1.5：1较0.8：1和1：1分别增加约3.25、1.36倍。当水灰比为2：1时，最终扩散距离比水灰比为1.5：1时小，说明水灰比在1.5：1左右浆液性能优越。

（2）渗透压力随浆液扩散有效距离增加而降低，注浆孔附近递减速率较大，当浆液扩散到一定程度时，渗透压力减小趋于缓慢并且此时渗透压力较小。

参考文献

[1] 苗兴城，杜明芳，王广国.压密注浆机理研究与效果检验[J].岩石力学与工程学报，2000（5）：670-673.