【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水利工程灌浆，尤其涉及一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法。
技术介绍
1、浆液扩散半径的大小是影响灌浆质量好坏的一个重要因素，也是裂缝化学灌浆的一道关键工序。如何计算浆液扩散半径的大小，长期以来一直缺乏系统、完整的理论基础和科学依据。多是以工程经验积累为主，采取估算和经验方式确定，随意性大，带来的技术问题是灌浆嘴间距大小布置欠合理，即偏小时造成浪费，偏大时浆液充填不饱满质量受影响，实际灌浆施工中，灌浆效果也总是不理想，尤其是在高水头条件下，由于流体的流动受到阻碍，灌浆液体在裂隙中的扩散半径会受到限制，且裂隙灌浆不易观测，因此，为了提高灌浆效果和减少灌浆材料的浪费，需要一种新的计算方法和公式来更准确地预测裂隙灌浆液体的扩散半径。
2、例如cn104988925a公开了一种变态混凝土成孔注浆浆液扩散施工方法，采用成孔注浆对变态混凝土进行注浆扩散，包括确定浆液的水胶比m、碾压混凝土的平均颗粒直径dp、浆液加浆量，根据工程现场布置情况，确定注浆孔间距，根据浆液加浆量要求计算单孔注浆量q，扩散半径r按注浆的孔间距对角线长度标准计算，将上述参数代入到公式中，计算注浆压力p，然后由设备控制系统调整注浆压力p，确定好参数后开始注浆；该专利技术根据实际工程检验，在变态混凝土施工中注浆扩散均匀性好，施工效率高，满足注浆扩散施工质量要求，但是在注浆过程是根据施工人员的现场经验得出的参数进行注浆，未考虑到混凝土成孔注浆浆液扩散半径及水头压力。
3、例如cn105716998a公开了一种混凝土裂缝化学灌浆
4、为了解决工程实践中渗透注浆浆液扩散半径计算公式相对缺乏及应用性差的问题，《工业建筑》2012年第42卷第7期中“渗透注浆浆液扩散半径计算方法研究及应用”一文中在相关假设的基础上，根据达西定律推导出新的渗透注浆浆液扩散半径的计算公式；推导分为注浆孔穿越及未穿越被注岩层两种情况，综合考虑了注浆孔与被注岩层层面夹角及浆液的黏度时变性因素。该公式在宁夏煤矿中预注化学浆工程中应用，可以为渗透注浆设计及质量评价提供一定的参考。目前推导出来的公式往往是在假设注浆孔与被注岩层层面且垂直状态下推导的，在公式中需要一些工程中很难获得的参数，严重影响了公式的应用功能，在工程实践中，技术专家依赖自己的工程经验进行设计和质量评价，有一定的盲目性；《华中科技大学学报》2023年11月第一期中“浆液扩散模式对地层附加土压力影响测试试验研究”一文中，针对现有盾构隧道变形恢复注浆过程地层附加压力形成的影响因素不明的问题，开展了注浆单元体试验，验证了浆液的含水量对扩散模式影响显著，未考虑高水头下的浆液扩散。
5、因此，现在迫切需要一种更准确地预测高水头条件下裂隙灌浆扩散半径的计算方法，综合考虑裂隙灌浆扩散的灌浆压力、裂隙宽度、水头压力、灌浆液密度和黏度等参数，及高水头条件下液体流动的影响，使灌浆效果更加稳定可靠，并且减少灌浆材料的浪费。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，解决现有技术在计算浆液扩散半径大小时，因缺乏系统、完整的理论基础和科学依据，大多是以工程经验积累为主，采用估算和经验方式确定，灌浆嘴间距大小布置欠缺合理，影响浆液饱满质量的问题。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为，一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，包括以下步骤：
3、step1：运用微元法，将浆液扩散过程假设为连续扩散；
4、step2：综合考虑灌浆压力和水头压力的共同作用，设定各参数，推导计算出水头压力作用下，沿浆液扩散的径向分量pwcosθ；
5、step3：根据水头压力作用下沿浆液扩散的径向分量pwcosθ，推导得到浆液在r方向的速度分量ur；
6、step4：根据浆液在r方向的速度分量ur，推导求解裂隙等效水力开度he；
7、step5：根据裂隙等效水力开度he，推导求解扩散半径r。
8、所述step2的具体步骤为：在高水头环境下，浆液的扩散是在水头压力及灌浆泵压力共同作用下共同决定，以灌浆孔中心点为中心向裂隙内径向扩散，以灌浆孔中心点为中心，设定l为裂隙长度，w为裂隙宽度，d为裂隙开度，水头压力为pw，灌浆压力为p0，取其中微元体分析，浆液在排开水体中扩散，扩散压力pc＝p0-pwcosθ，θ为微元体的方位角，也是与灌浆管的径向分量，多数情况下可以认为是裂隙的倾角，所以pwcosθ为水头压力作用下沿浆液扩散的径向分量。
9、所述step3的具体步骤为，已知水头压力作用下沿浆液扩散的径向分量，根据浆液扩散运动满足纳斯-斯托克斯方程，忽略浆液的竖向扩散，求导、化简得到浆液在r方向的速度分量ur，化简过程如下：
10、选取牛顿型浆液作为研究对象，其运动规律满足纳斯-斯托克斯方程，即n-s方程：
11、
12、式中：ρ为浆液密度，kg/m3；u为速度向量；t为时间浆液在裂隙内流动时间，s；为散度算子；i为流体的单位张量；f为流体体积力，n；p为压强，pa；
13、也可以表示为：
14、
15、其中
16、
17、
18、
19、式中，fr为沿径向的质量力；ρ为浆液密度，kg/m3；v为流体速度，m/s；r为灌浆管半径，cm；div为散度；为散度算子；u为扩散速度向量(ur，uz，uθ)，m/s；t为时间，s；pc表示排开水体扩散压力，n；r为注浆管半径，cm；z为z方向扩散速度向量；
20、忽略浆液的竖向扩散，即uz＝uθ＝0，式(5)可以简化为：
21、
22、式中μ＝vp为浆液的动力黏度，pa·s；
23、根据质量守恒定律可得到理想液体，即不可压缩流体的连续方程：
24、
25、忽略环向和径向速度：
26、
27、式(8)对r求导：
28、
29、式(9)带入(6)得：
30、
31、对(10)对z积分：
32、
33、式中c1、c2为待定系数；
34、当浆液满足边界条件：ur＝0，浆液在裂隙上表面处的流速为0，当ur＝0浆液在裂隙下表面处流速为0，带入(11)得：
35、
36、带入(12)得：
37、
38、式中，h为灌浆压力水头高度，m。
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1.一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，其特征在于，所述step2的具体步骤为：在高水头环境下，浆液的扩散是在水头压力及灌浆泵压力共同作用下共同决定，以灌浆孔中心点为中心向裂隙内径向扩散，以灌浆孔中心点为中心，设定L为裂隙长度，W为裂隙宽度，d为裂隙开度，水头压力为pw，灌浆压力为p0，取其中微元体分析，浆液在排开水体中扩散，扩散压力pc＝p0-pwcosθ，θ为微元体的方位角，也是与灌浆管的径向分量，多数情况下可以认为是裂隙的倾角，所以pwcosθ为水头压力作用下沿浆液扩散的径向分量。
3.根据权利要求2所述的一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，其特征在于，所述step3的具体步骤为，已知水头压力作用下沿浆液扩散的径向分量，根据浆液扩散运动满足纳斯-斯托克斯方程，忽略浆液的竖向扩散，求导、化简得到浆液在r方向的速度分量ur，化简过程如下：
4.根据权利要求3所述的一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，其特征在于
5.根据权利要求4所述的一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，其特征在于，所述step5的具体步骤为，已知裂隙等效水力开度he，求解扩散半径R，推导过程如下：
...【技术特征摘要】
1.一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑高水头条件下的裂隙灌浆扩散半径计算方法，其特征在于，所述step2的具体步骤为：在高水头环境下，浆液的扩散是在水头压力及灌浆泵压力共同作用下共同决定，以灌浆孔中心点为中心向裂隙内径向扩散，以灌浆孔中心点为中心，设定l为裂隙长度，w为裂隙宽度，d为裂隙开度，水头压力为pw，灌浆压力为p0，取其中微元体分析，浆液在排开水体中扩散，扩散压力pc＝p0-pwcosθ，θ为微元体的方位角，也是与灌浆管的径向分量，多数情况下可以认为是裂隙的倾角，所以pwcosθ为水头压力作用下沿浆液扩散的径向分量。
3...
【专利技术属性】
技术研发人员：燕乔，王磊，彭辉，杨鑫，赵轩，赵彬，胡伟，彭亮，常孔磊，牛梦杰，梁梦然，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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