基于CFD-DEM耦合模型的阻水墙建造过程数值模拟

摘要

通过灌注骨料封堵动水巷道的过程长期以来处于经验摸索状态,基于数值力学模型(CFD-DEM)研究了骨料灌注过程及截流堵水机制。模拟了骨料颗粒在水中的沉降速度、不同堆积厚度下的启动速度、天然状态和静水中的堆积角、动水中粒径分区效应以及各粒径组的阻水消压能力,验证了模型的适用性。测试了水流的携砂能力,发现未接顶区和堆积区的流场分界线对应启动流速上限,当流场的携砂能力远小于灌注能力时,表现为接顶容易,反之接顶困难。建立了考虑突水通道、突水源水压、灌注速度、骨料粒径、灌注次序、骨料摩擦参数和水流黏性等关键因素的计算模型,模拟了骨料在动水环境下铺底、充填、接顶的主要阶段,得出了速度场和压力场在不同灌注阶段的演化过程及两者间的动态响应关系。通过双巷截流模型,对两种截流方案进行了模拟,证明了优先封堵其中一条巷道的方案更具合理性。最后总结了钻孔间堆积体"前期接龙"、"后期叠加"及"逆向生长"的一般截流过程,分析了水力梯度和携砂能力对堆积长度和钻孔数量的影响。动水中骨料灌注两相流耦合模型的建立为截流施工过程研究及工程优化提供了技术途径。