基于3D打印透明孔隙介质模型的浆液渗流扩散规律试验研究

Water disaster from high pore water pressure aquifer often occurs, resulting from the fact that the depth of underground engineering is increasing. Chemical grouting is a frequent method to prevent pore water disaster, which has been proved to be un-effective due to the problem of low reduced-permeability rate. The mechanism of low reduced-permeability rate is important to improve the effect of grouting, which can be revealed by the analysis of seepage, diffusion and solidify of slurry in pore rocks. Physical model test has been proved to be an important method to investigate these issues, which is limited by model construction and test observation techniques. Precise and transparent physical model of porous model will be made using 3D printing technology, and the physical model is used to carry out grouting test under multiple conditions using Urea-formaldehyde resin slurry. Moreover, Micro-PIV technique and the tracer particles of slurry particles will be applied to intuitionally obtain the information of seepage, diffusion and solidify of slurry. Finally, theoretical analysis and numerical simulation will be used to investigate the characteristics of seepage, diffusion in pore network and the mechanism of reduced-permeability, in order to reveal the technical approach to improve the effect of grouting.

随着地下工程埋深的不断增加，高承压孔隙含水岩层水害问题愈加普遍且突出。化学注浆作为孔隙水害控制的有效方法，对于此类水害治理主要存在注浆减渗率偏低的问题。开展浆液在孔隙中渗流、扩散、固化过程及其规律研究，对揭示注浆减渗率偏低的机理及提高注浆减渗效果具有重要意义。物理模型试验是重要的研究手段，但模型构建及试验观测技术一直制约着相关试验研究的开展。本课题拟先采用3D打印技术制备精密、透明的孔隙介质物理模型；然后选用脲醛树脂浆液，进行多种对比条件下的注浆试验，利用Micro-PIV技术，以浆液胶粒为示踪粒子，直观定量获取浆液在孔隙中渗流、扩散、固化过程信息；最后基于物理模型注浆试验结果，采用理论分析、数值计算等手段，研究化学浆液在孔隙网络中的渗流、扩散规律及固化减渗机理，探究提高孔隙含水岩层化学注浆减渗效果的技术途径。

随着地下工程埋深的不断增加，高承压孔隙含水岩层水害问题愈加普遍且突出。化学注浆作为孔隙水害控制的有效方法，现场工程应用中发现在监测、有效性、评价等方面遇到诸多技术难题，需开展深层次研究。物理模型试验是重要的研究手段，但透明化模型构建及试验观测、测试技术一直制约着相关试验研究的开展。解决微细透明试验模型制备，并对相关问题进行深入研究，揭示深层机理是本项目的核心目的。. 按照项目整体规划相继进行了透明化微细多孔介质模型3D打印制作，多孔介质模型渗流特征数值分析，微细二维多孔介质模型低粘度流体非线性渗流特征，两类典型浆液在微细单孔道、二维多孔介质的渗流扩散规律，化学浆液在准三维胶结多孔介质中的渗流扩散、监测、固化减渗规律及机理等相关问题的研究。. 本研究有效解决了基于真实孔隙岩层试样的微细透明渗流试验模型的构建及3D打印制备的问题，以此针对规划的研究内容开展相关试验研究，结合数值分析、理论研究等手段，获得了诸多创新性研究成果：①孔隙介质渗流过程中分流及汇流持续发生，不同位置孔隙渗流的活跃性差异较大；②低粘度液体在微细孔隙介质中呈现典型的非线性渗流特征，渗透能力各项异性明显；③化学浆液与普通水泥浆液呈现完全不同的可注特性，颗粒型浆液在孔道中受阻的机理为“相对减速集聚”；④饱和孔隙介质化学浆液渗流介于活塞式及非活塞式驱替模式之间，随着扩散距离的增加，浆液浓度、孔隙充填率、减渗率逐渐降低；⑤根据注浆过程的压力监测数据，可对注浆渗流扩散进程进行识别；⑥通过试验过程中电阻率值的变化可判断浆液扩散范围、扩散范围内浆液相对浓度大小、浆液絮凝固化程度等。. 通过本项目系统研究，揭示了孔隙介质的细观渗流特征、非线性渗流机理、浆液渗流扩散及固化减渗规律，提出了基于电阻法的注浆进程监测方法，对于注浆监测、工艺控制、效果评价等都具有重要应用价值。