文摘

EDEM-Fluent耦合计算方法,渗流破坏突水通道的形成机制和粒子的迁移砂岩断层充填体进行了研究。变量条件下的水力梯度,整个渗流过程可分为三个阶段:缓慢渗透阶段,突然渗流阶段,稳定渗流阶段。在缓慢渗透的阶段,失去了粒子的质量很小。突然渗流阶段,大规模粒子丢失。在稳定渗流阶段,该模型基本上是处于稳定状态。在渗流过程中,粒子的出口区前将粒子在入口区渗流力的作用下。粒子的整体运动趋势可以预测,虽然单个粒子的运动轨迹是不规则的。颗粒之间的接触量的变化趋势基本上是一致的变化失去了粒子的质量。此外,粒子的接触量的变化是由于填料粒子的损失。

1。介绍

山隧道的建设期间,将遭受不同程度的地质灾害和突水是常见的1- - - - - -3]。它的频繁发生和危害带来巨大阻力隧道勘测,设计,施工(4- - - - - -8]。当穿越岩溶洞穴和断层断裂区富含水分的条件下,karst-type突水通常发生(9- - - - - -11]。此外,裂缝类型发生突水的影响下水存储结构和降水,甚至突水压力超过2 MPa [12- - - - - -14]。故障类型突水发生在两个区域的开挖岩石断层飞机严重风化条件下,水流非常巨大,甚至达到1800米³/小时(15]。

需求增加的安全隧道施工过程中,一系列的经验标准和分析模型提出了突水的发生机理,预测突水体积,突水位置和突水特征。郭et al。16)使用基于离散单元法模拟软件,结合实验室检测,并分析了在岩溶隧道突水的发生机制macroperspectives microperspectives。这是澄清,围岩的二次应力再分配和岩溶水压力高水头很容易导致岩溶隧道突水。使用有限差分程序,江et al。17)计算瞬时和稳定涌水量基岩裂隙含水层深度和长隧道开挖中,建立了一个可靠和实用的水文地质模型。基于有限元法,李18地下水的渗流特征进行了探讨和确定的位置侵入水拱顶和拱腰两侧并提出了灰水玻璃双浆阻水措施。赵和杨19]分析了隧道涌水量的特点当穿过断层破裂带。隧道坍塌时,水流入压力将大幅下降,表面水的存在会增加隧道的涌水量和灌浆厚度。

然而,传统的分析方法无法适用于复杂断层破裂带条件下,流体运动的模拟也是相对有效。SPH方法可以应用于解决复杂的流体动力学(20.]。白等。21)提出了一个SPH-FDM传热边界方法来分析在均匀介质不连续界面(22]。应该注意,水文地质条件并不是唯一的行列式突水类型和渗流路径(5,23- - - - - -25]。白等。26,27)建立了一个非线性耦合输运方程非饱和土壤水运动由温度。水的分布作用下温度梯度不均匀,这验证了水运动的滞后效应引起的热循环。形变场组合模型建立了热力学颗粒重排问题造成的多孔粒状材料,可用于描述水迁移的过程中路径问题(28]。白等。29日)的动态特性进行了探讨悬浮颗粒在多孔介质温度变量,提出水粘度、吸附效果,双电层效应,粒子动能将所有影响粒子运动。

G109 Zhaitang山隧道的高速公路砂岩地质条件。断层破裂带将会暴露在施工过程中,隧道断层穿过Zhaitang Zhaitang水库,和最短的水平距离只有320米。基于岩土优势面理论,它属于危险的输水部分(30.,31日]。隧道开挖,断层破裂带的渗透系数增加,Zhaitang水库的水源可能携带的填充物断层水喷到隧道沿着断层破裂带,通过渗流通道形成一个相对,这是容易充填体渗流破坏突水类型[9,32- - - - - -35]。基于DEM-CFD耦合计算方法,周et al。36)使用100毫米×50 mm×100毫米岩体模型来模拟工程规模突水过程实时的1.8秒,显示的形成和扩张过程突水的主要通道。通过自行设计的测试系统,王et al。37]样品直径100毫米,高500毫米突水的机理的定性研究fault-filling粒子的迁移造成的。徐et al。38)使用PFC3D软件构建一个断层裂隙岩体模型直径60毫米和120毫米的高度模拟灾难突水的微观过程。通过实验室测试方法,陈和律39]做了一个30毫米×30毫米×110毫米的样品破碎岩体的变化规律和影响因素,讨论粒子迁移的水力性能的砂岩在突水的发生断层破裂带。

在渗流失败类型突水通道的形成在砂岩断层充填体,颗粒相和流体相之间存在的相互作用。不仅独立自主的固体颗粒和流体迁移和应力也交换能量,动量和质量应考虑固体颗粒与流体之间。基于流固耦合理论,本文采用分立元件的耦合方法软件EDEM 2018和计算流体动力学软件Fluent 18.0,比传统方法更准确(即。PFC方法),建立一个小规模的破碎砂岩模型并进行三维数值模拟。突水通道的形成机理和渗流过程中粒子的迁移规律探索。

2。建模的砂岩

2.1。EDEM几何模型

断层破裂带的引水隧道开挖是一个危险的部分。使用EDEM软件和离散单元法,模型建立了破碎砂岩内部故障,由几个表示粒子的组合。然而,很难建立地层模型相当于实际工程规模在数值模拟的过程中由于计算机能力的限制。因此,结合实际工作环境,一个40毫米×40毫米×100毫米矩形破碎砂岩毫米尺度模型(40,41]18.27%的初始孔隙度的形成机制进行了研究,讨论渗流失败类型砂岩断层的突水通道回填储层渗流力的作用下。

如图1,暗灰色区域几何区域粒子生成,和红色的边界计算域。也就是说,如果粒子运动超过计算域,它将自动被删除。最高的Zhaitang水库水位低于设计标高的隧道,所以这个模型是渗流的流从下到上。破碎的砂岩模型的六个面都是墙壁。底部和顶部的面孔,分别设置为流体进水口和出水口。周围的墙壁的物理性质与砂岩相一致,且未水渗透率。模型的顶面被删除,这样内部的粒子模型可以向外喷的作用下单一的自底向上的渗水。其中,起始水力梯度在进口是0.1,增加了0.1每0.1 s走的方式,和流体出口压力是恒定的0。

破碎岩体被认为是由岩体骨架和填充介质。结合隧道的实际情况,两个粒子具有不同粒径范围是用于表示骨骼的粒子(男童毫米)和填充粒子(0.25 - 2毫米),分别模拟了砂岩。骨架颗粒填充粒子的比例是1:3,所有粒子形状简化为球体,他们不能变形的刚性元素。EDEM软件基于离散元素原则是用来产生破碎砂岩颗粒。填充粒子的粒径和骨架颗粒随机生成的理想范围内,共有18985个粒子生成。图2显示了破碎砂岩模型由EDEM重力为9.8 KN / m³和一个负方向沿Z轴。

应该注意的是,断层裂隙岩体是由结合一系列不连续的粒子,和不同的颗粒接触模型将产生不同的接触力。在此基础上,骨架颗粒之间的接触是设置为Hertz-Mindlin与粘结模型来模拟颗粒之间的附着力。骨架颗粒与某些粘附构成骨架网络。一旦破坏了粒子之间的附着力,粒子将改变Hertz-Mindlin(无滑动)模型,当他们再次联系。根据现场测量和理论分析,粒子的物理参数如表所示1。

由于网格生成的区别EDEM软件和流体计算的网格大小,当使用EDEM-Fluent耦合计算,有必要把EDEM和流体计算网格,分别。EDEM的网格大小直接相关的最小粒子大小,通常的最小粒子半径的两倍。所选EDEM网格大小的最小粒子半径的2.5倍,并生成粒子的最小半径为0.125毫米。因此,网格尺寸是0.3125毫米,包括共有5611647网格。确保电网质量和计算结果的准确性,单个流体计算网格必须包含至少三个固体颗粒,和流利的流体网格的大小是10毫米×10毫米×10毫米,包括160流体计算网格细胞。

2.2。EDEM计算原理

离散单元法,粒子运动遵循牛顿第二运动定律(42,粒子之间的相互作用是一个瞬态过程。在足够小的时间步,它可以假定单个粒子的速度和加速度是固定值,只有直接接触的粒子或边界扮演一个角色而不受其他粒子的间接作用的影响。单个粒子的基本运动方程如下: 在哪里米是粒子的质量,u是线性位移,θ角位移, 阻尼力接触力和体积力的粒子,分别转动惯量,是力手臂接触力的粒子。

在EDEM计算过程中,粒子和边界位置将获得。以颗粒之间的相对位移为基本的物理变量,法向力和切向力的粒子将会获得根据接触的力和位移之间的关系模型,以获得合力和合成的时刻。物理量(如位移,速度和加速度的粒子将根据牛顿第二运动定律,计算和连续周期进行计算。流利的计算确保流体运动遵循连续性方程和动量守恒方程。

3所示。数值模拟和讨论

3.1。粒子运动

渗流模拟砂岩的失败的总持续时间是1 s,断层充填体EDEM设置的时间步 年代,数据保存时间间隔是0.01秒。EDEM流畅的时间步的比例是1:100年,和数据保存的时间间隔比1:10。计算时间内,EDEM需要计算总共1000万步和流利需要计算100000步。

图3显示了模型中的粒子状态时t= 0,t= 0.5,t= 1.0年代在渗流过程中(22]。深绿色的粒子填充粒子和黄绿色颗粒骨架颗粒。不同的时间点对应于不同水力梯度(27]。在不同的时间点,通过观察粒子状态基于损失的速度和数量的粒子,粒子的运动规律作用下的流体渗流压力梯度增加。

渗流力小,出口地区填充粒子沿渗流方向的力和一些外骨架颗粒骨架网络将喷前粒子在入口区域(43进口地区,粒子的位置没有明显的改变,是一种稳定状态。与水力梯度的增加,流体阻力的合力,重力,和间接接触力的粒子在中间部分逐渐向上和颗粒之间的接触关系也发生变化。流将携带大量的填充粒子和一些小型骨架颗粒的高水压力低压力区。在这个阶段,大规模填充粒子喷出来,一些小型骨架颗粒也将丢失,和大骨架颗粒接触关系的变化将使不稳定。因为大多数填充粒子的涌出,剩下的填充粒子将逐渐企稳,但仍有一小部分填充颗粒和小骨架颗粒慢慢地喷涌而出。由于粒子之间的接触关系的变化,粒子从中间和下部出口区域渗流力的作用下也会喷出来。入口区域的填充粒子不能喷,因为骨架大粒子和剩下的骨架颗粒形成稳定结构。

当t= 1 s,渗流模拟过程结束后,和大多数的填充粒子和一小部分的骨架颗粒涌出,进而增加孔隙度、渗透系数,和水的速度断层破裂带,形成一个相对顺利突水通道。此外,粒子的损失显然是不均匀的。虽然粒子迁移第一个出口地区,这些粒子不喷一层一层地,表明粒子孔隙中的水速度是不同的在同一水平面,和渗流路径是不规则的44]。然而,在水流的阻力的作用,它使填充粒子和一些骨架颗粒喷出来,形成一个相对平稳的突水通道。

根据单个粒子的运动规律,三粒子的运动轨迹在出口领域,中间部分,入口区域(图中随机选出的4)。过程中涌出,单个粒子重力的共同作用下,水的阻力,正常的接触力,不同粒子间的切向接触力。填充粒子的向上迁移和泄漏和一些小型骨架颗粒沿渗流方向的力需要通过骨架之间的孔隙网络。单粒子随机选择的粒子大小可能不同,和粒子的重力不同大小是不同的45,46]。由于孔隙大小和骨架之间的流速和方向是不同的粒子,流动阻力的大小和方向在不同粒子是不同的。一个粒子和其他粒子之间的接触关系是不完全相同的47- - - - - -49),和正常的大小和方向,切向,和角速度的粒子受到水流的影响也不同。同样,有差异与不同粒径粒子的惯性矩(50]。因此,正常和切向接触力的大小和方向在单个粒子在不同时间不同,导致不同合成军队的单个粒子在水流的作用下。

实际上,粒子的运动是不规则的,不会严格遵循渗流力的作用方向。例如,单粒子运动轨迹在中间部分选定的图4先下降,然后向上移动。图5更直观地显示了粒子的轨迹,紫色的粒子的粒子特征,深绿色的粒子填充粒子,粒子和黄绿色骨骼颗粒。特征的运动跟踪粒子开始因为粒子是一个骨架颗粒自由从骨架网络。最初的水压力的作用下,力骨架上的渗透力粒子并不足以使其上升和喷出来,但水流的阻力可以随身携带填充粒子粒子向上,因此改变粒子之间的接触关系和其他填充粒子。与渗流压力的增加,周围填充粒子不断喷和颗粒之间的接触力减少。特点粒子的重力逐渐起着主导作用的合力,粒子的合力方向是逐渐下降的,所以粒子向下移动。随着渗流压力继续增加,水流的阻力特征粒子继续增加,粒子上的合力逐渐向上移动。阻力开始主宰粒子的运动方向,和粒子向上移动。

澄清粒子间接接触力的影响粒子运动轨迹的特点,改变粒子的粒子间接接触力1在整个渗流过程是EDEM后处理(图输出6)。在0 - 0.2 s,填充粒子的作用下开始移动水流的阻力和颗粒之间的接触关系特点,周围填充粒子的变化,所以粒子上的接触力开始逐渐减少。这个时候,粒子1不移动,同时,粒子周围的毛孔增加。0.2秒后,重力起着主导作用,和特点粒子开始向下移动,但水流的阻力随水力梯度的增加,粒子和粒子开始向上移动,直到他们喷的通道在0.6 s。粒子的运动过程中,受到一个短暂而轻微的接触力在一些时间,因为与其他粒子碰撞粒子在运动。

单个粒子的轨迹也不同(图中所示的中间部分4)。粒子发射的过程中,一些粒子不上升沿渗流方向的力,但保持静止一段时间后向上运动,直到渗流的结束。粒子轨迹的原因是,在一开始,填充粒子上升水阻力的作用下,被困在大骨架颗粒形成的骨架网络一定距离后,然后达到一个稳定状态。因为模型内的粒子位于特点,很难直接观察,其他粒子是隐藏的,只有显示粒子(图特征7)。特征的粒子初始水压力下慢慢向上移动,剧烈地波动,在0.8秒,最后停止上升趋势。

3.2。失去了粒子的质量变化

研究粒子发射在渗流过程中,使用EDEM的后处理功能软件,残余粒子质量随时间的变化如图8,它可以直接反映出粒子损失速度和突变点在不同时间点的粒子发射一段时间。图9节目失去了粒子质量随时间的变化在整个渗流过程。可以看出,在0 - 0.3 s,曲线的斜率是相对平坦的,粒子损失速度相对较慢。在0.3秒,曲线的斜率急剧增加,大规模粒子开始失去和粒子速度和数量增加损失。0.8秒后,曲线斜率又往往是平的,粒子损失速度逐渐减小,粒子损失质量趋于稳定。

粒子损失过程可分为三个阶段。在第一阶段(缓慢渗透阶段,0 - 0.3 s),这个阶段的粒子损失质量5.0克,占5.41%的总质量损失在整个渗流过程。最初的水力梯度为0.1,流动的阻力能力很低,出口区域的填充粒子会慢慢上升,和骨架颗粒不会因为自己的重力和大颗粒之间的接触力。粒子的质量损失在0 - 0.1 s 2.8 g,占总质量的56%颗粒消失在缓慢渗透阶段。这是因为向上运动的粒子在出口领域并不妨碍了其他粒子。粒子喷出来的这一部分后,剩下的填充粒子和一些小型骨架颗粒自由从骨架网络开始上升。然而,由于水流的阻力,流出速度和流出体积相对较小的粒子。在实际工程中,渗流体积小,水流相对明确。这个阶段是最好的时间来采取相应的措施。注浆堵水和在适当的位置可以避免突水通道的形成。 In the second stage (sudden seepage stage, 0.3 s–0.8 s), the critical hydraulic gradient corresponding to the starting point is 0.4 and the total mass loss of particles is 85.3 g, accounting for 92.32% of the total mass loss in the whole seepage process. With the emission of particles gathered in the outlet area in the slow seepage stage, the pores between the skeleton particles gradually increase and the particle loss speed and amount suddenly change, forming a relatively through seepage channel. This stage is the main stage of particle loss in the whole seepage process. In fact, the seepage volume increases and the water quality is turbid. In the third stage (stable seepage stage, 0.8–1 s), the total mass loss of particles in this stage is 2.1 g, accounting for 2.27% of the total mass loss in the whole seepage stage. As most of the filling particles and some of the skeleton particles that are free from the skeleton network have gushed out, only a few particles will slowly gush out after 0.8 s. The remaining filling particles interact with the large skeleton particles to form a new skeleton. The seepage reaches a stable state and forms a smooth seepage channel.

3.3。改变粒子的接触量

在渗透的过程中,粒子运动向上喷,因为颗粒之间的接触关系变化,正常的接触力和切向接触力正在改变。粒子之间的联系电话是描述在EDEM配位数的变化。配位数大于粒子之间的联系电话,但配位数越大,粒子之间的联系电话。如图10、颗粒配位数与时间曲线。红色曲线代表了粒子之间的总配位数的变化,和蓝色曲线代表骨架颗粒的配位数的变化。

在0 - 0.3 s,配位数的骨架颗粒并没有改变太多,而总协调粒子数有所下降在一定程度上。0.3秒后,协调骨架颗粒的数量开始减少,因为填充粒子的连续损失导致了骨架颗粒接触力的变化渗流力的作用下,使骨架颗粒骨架网络的自由移动,然而,骨骼中的骨骼颗粒之间的接触关系网络并没有改变。

颗粒之间的接触量的变化是一致的渗流阶段,和颗粒之间的接触量的下降速率相对较慢的过程中缓慢渗透。突然渗流阶段,接触量填充粒子和填充粒子和骨架颗粒之间突然发生了变化。在稳定渗流阶段,颗粒之间的接触量达到一个稳定状态。渗流过程后,粒子模型基本上是处于稳定状态,只有少量的粒子将继续失去。因此,粒子之间的联系号码不会改变。

3.4。孔隙度的变化

孔隙度增加的过程中渗流的基本原因是突水通道的形成。因为粒子损失在入口面积小于全损,入口区域的孔隙度变化和总进行了研究,分别。通过添加“几何本”EDEM后处理,进口地区孔隙度的变化,分析了大小设置为40毫米×40毫米×50毫米。孔隙度随时间的演化曲线不能直接由EDEM生成的。因此,计算孔隙度的变化通过改变粒子体积或质量。计算显示如下: 在哪里孔隙度,模型的总体积,是模型中,粒子的质量是材料的体积密度,是材料密度。

图11(红色曲线)表明,在入口处地区孔隙度降低,然后增加迅速,最后随着时间的推移变得稳定。缓慢的阶段渗流的水力梯度相对较小。对于较大的粒子在出口领域,重力起着主导作用。合力下降条件下,慢慢向下移动,不断流入“几何本。”因此,在这个阶段渗流,进口地区孔隙度减少。当水力梯度达到临界水力梯度和进入突然渗流阶段,入口区域的填充粒子将迅速上升水流的阻力下,孔隙度会迅速增加。进入稳定渗流期后,仍有少量的填充粒子向出口移动区域,但大部分的粒子在一个相对稳定的状态,所以孔隙度会逐渐增加并趋于稳定。

总孔隙度,孔隙度与时间曲线(图11蓝色曲线)根据图可以获得8。总孔隙度的变化是一个粒子损失的直接表现。总孔隙度的时间变化曲线与失去的时间变化曲线是一致的粒子质量图9。在缓慢渗透阶段,因为少量的粒子喷出来,总孔隙度增加缓慢。突然渗流阶段,水力梯度达到临界水力梯度和总孔隙度迅速增加的大量粒子喷涌而出。达到稳定渗流阶段后,随着颗粒基本上保持稳定,模型的总孔隙度也趋于稳定。

4所示。结论

渗流过程中,粒子将迁移流的作用下渗流力和粒子前的出口区域将粒子在入口区域。粒子喷出口地区,入口区域的粒子将喷出来,形成了一个相对平稳的突水通道。变量条件下的水力梯度,根据粒子的速度和质量损失,整个渗流过程可分为三个阶段:缓慢渗透阶段,突然渗流阶段,稳定渗流阶段。有临界水力梯度缓慢渗透阶段和突然的渗流阶段。

粒子速度很慢的情况下损失低水力梯度。在达到临界水力梯度,粒子损失速度显著增加。大部分的填充粒子喷出来后,粒子损失速度减慢和趋于稳定。突水过程中,粒子的整体运动趋势大致可以预测,但单个粒子的运动轨迹是不规则的。

接触量的变化主要是由填充粒子的损失造成的。颗粒之间的接触量的变化趋势基本上是一致的粒子质量损失的变化。在缓慢渗透的阶段,颗粒之间的接触量慢慢减少。颗粒之间的接触量减少后迅速进入突然渗流阶段。在稳定渗流阶段,颗粒之间的接触量基本上是处于稳定状态。

数据可用性

最初的贡献提出了包含在本文的研究中,并进一步调查可以针对相应的作者。

的利益冲突

作者WC受雇于北京Guodaotong公路设计研究院有限公司有限公司作者YW,跳频,PZ受雇于北京大学。建设集团有限公司。剩下的作者宣称他们没有利益冲突。

作者的贡献

党卫军本文的主要贡献是方法,和其他作者(WC, YW,跳频,PZ)导致了调查和分析。

确认

这项研究是由北京市自然科学基金(8222023)。