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隧道与地下工程灾害防治
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基于水平集方法的裂隙网络注浆扩散模拟方法
杜码1,陈洋1,马洪素2,3,赵志宏1*
(1.清华大学土木工程系  北京 100084;
2.核工业北京地质研究院  北京 100029;
3.国家原子能机构高放废物地质处置创新中心,北京 100029)
Simulation method of grouting diffusion in fracture network based on level set method
Du Ma1,Chen Yang1,Ma Hongsu2,3,Zhao Zhihong1*
(1.Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029,China;
3.CAEA Innovation Center for Geological Disposal of High-Level Radioactive Waste, Beijing 100029, China)
下载:  PDF (2359KB) 
输出:  BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 针对传统方法在模拟复杂网络方面的不足,发展了一种适用于工程尺度的裂隙岩体注浆扩散模拟方法。该方法基于水平集函数,并与流体控制方程及考虑时变特性的宾汉姆流变模型相结合,实现了裂隙网络浆-水驱替过程的精确模拟。在室内规则裂隙网络试验验证的基础上,采用二维简化、局部模拟的策略应用于北山地下实验室现场注浆试验。结果表明,各注浆孔透水率与耗灰量的模拟值与实测值相对误差均小于15%。进一步通过三维精细化建模,发现裂隙交叉处存在随时间演化的浆-水复杂混合分布现象,为宏观扩散行为提供了物理解释。该研究深化了对非牛顿流体在裂隙网络中多尺度扩散行为的认知,为深部岩体注浆设计提供了理论依据。
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杜码
陈洋
马洪素
赵志宏
关键词:  注浆扩散  裂隙网络  水平集方法  有限元模拟    
Abstract: To address the deficiencies of traditional methods in simulating complex networks, a simulation method for grout diffusion in fractured rock masses applicable to engineering scales was developed. Based on the level set function, this method was coupled with fluid governing equations and the Bingham rheological model incorporating time-varying characteristics, thereby achieving precise simulation of the grout-water displacement process in fracture networks. After validation through indoor regular fracture network experiments, the method was applied to field grouting tests in the Beishan Underground Laboratory using a two-dimensional simplified and localized simulation strategy. The results indicated that the relative errors between simulated and measured values for the permeability and cement consumption of each grouting hole were both less than 15%. Furthermore, through three-dimensional refined modeling, a complex mixed distribution phenomenon of grout and water evolving over time at fracture intersections was revealed, providing a physical explanation for macroscopic diffusion behavior. This study deepened the understanding of multi-scale diffusion behavior of non-Newtonian fluids in fracture networks and provided a theoretical basis for deep rock mass grouting design.
Key words:  grouting diffusion    fracture network    level set method    finite element simulation
收稿日期:  2026-04-08      修回日期:  2026-07-17      发布日期:  2026-08-07     
中图分类号:  TU45,TU472  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(42277140, 42477155);国家原子能机构核设施退役治理专项科研资助项目(科工二司[2020]194号)
通讯作者:  赵志宏(1983—),男,山西阳泉人,副教授,博士生导师,博士,主要研究方向为多场耦合岩石力学。    E-mail:  zhzhao@tsinghua.edu.cn
作者简介:  杜码(2002—),男,辽宁锦州人,博士研究生,主要研究方向为隧道开挖相关多场耦合岩石力学。E-mail:dum24@mails.tsinghua.edu.cn
引用本文:    
杜码, 陈洋, 马洪素, 赵志宏. 基于水平集方法的裂隙网络注浆扩散模拟方法[J]. 隧道与地下工程灾害防治, .
Du Ma, Chen Yang, Ma Hongsu, Zhao Zhihong. Simulation method of grouting diffusion in fracture network based on level set method. Hazard Control in Tunnelling and Underground Engineering, 0, (): 1-14.
链接本文:  
[1] 皮锦添,徐奴文,张丰收,毛浩宇,周相,李怀良,薄雾. 基于微震监测与DFN模拟的金川水电站尾闸室破坏机制[J]. 隧道与地下工程灾害防治, 2024, 6(3): 60-72.
[2] 宗军良, 饶倩, 王祺, 禹海涛. 地面出入式盾构隧道动力响应的数值模拟[J]. 隧道与地下工程灾害防治, 2023, 5(3): 63-70.
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