[0001] 本发明涉及生态修复技术领域，尤其是涉及考虑多孔介质迂曲度的柱形渗透注浆范围确定方法及系统。

[0002] 目前在柱形渗透注浆过程中，对于注浆范围的确定常常没有充分考虑多孔介质的迂曲度。多孔介质在生态系统中广泛存在，如土壤、岩石等，其迂曲度对浆液的流动路径和扩散范围有着显著影响。实际生态修复场景中的多孔介质结构复杂，浆液在其中的流动并非简单的直线运动，而是受到迂曲通道的限制和引导。忽略迂曲度可能导致对注浆范围的不准确估计，进而影响生态修复工程的效果和可持续性。同时，现有的注浆范围确定方法大多没有综合考虑宾汉水泥浆液的自重与注浆角度的影响。宾汉水泥浆液作为一种常见的注浆材料，在不同的生态修复场景中，其自重会在不同的注浆角度下对浆液的扩散产生不同的作用。例如，在山区生态修复中，可能面临倾斜的地形，此时浆液的自重会与注浆压力共同作用，改变浆液的流动方向和扩散速度。然而，现有的方法未能充分整合这些因素，使得生态修复工程中的注浆范围确定存在一定的局限性。 此外，生态修复工程面临的地质条件复杂多样，可能含有不同孔隙率、渗透率的地层，还可能存在地下水流动以及与周边生态环境的相互作用等情况。在这样的背景下，迫切需要一种更为精确、全面的柱形渗透注浆范围确定方法，以提高生态修复工程中注浆的质量和可靠性，满足复杂生态工程环境下的建设需求，实现生态系统的有效修复和可持续发展。

[0017] 下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

[0018] 在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

[0019] 需要提前说明的是，在一个可选地实施例当中，除了做出独立的说明之外，其它的在所有公式中出现的相同的符号或字母带表的含义和数值相同。

[0020] 在一个可选地实施例当中，请参见图1，本发明提供了考虑多孔介质迂曲度的柱形渗透注浆范围确定方法，所述方法包括如下步骤：S1、在选定的注浆点位置采集多孔介质特性数据和地下水压力，同时采集宾汉水泥浆液特性数据。

[0021] 具体的，在本实施例中，多孔介质特性数据具体指注浆点位置的地层孔隙率，可以通过密度法，气体吸附法等方法测得。地下水压力通过在注浆点位置布设水压力计传感器测量获得。宾汉水泥浆液特性数据包括屈服应力和塑性粘度，宾汉水泥浆液特性数据可以使用流变仪等专业仪器测量获得。

[0022] S2、设定注浆参数，所述注浆参数包括注浆压力、注浆时间和注浆管铺设角度。

[0023] 具体的，在本实施例中，注浆管铺设角度是指注浆管与水平面的夹角。更为具体的，注浆压力需要综合考虑注浆点位置的多孔介质强度、地下水压力以及期望的注浆扩散范围等因素，避免注浆压力过高导致地层破坏或注浆压力过低无法达到预期的注浆效果；注浆时间需要结合注浆量、注浆速度以及工程进度要求来设定，还要考虑到宾汉水泥浆液在多孔介质中的凝固时间，确保在宾汉水泥浆液未完全凝固前完成注浆操作；注浆管铺设角度需要依据注浆点位置周围的地质构造和宾汉水泥浆液流动方向的预期，合理调整注浆管铺设角度，使宾汉水泥浆液能够在多孔介质中均匀扩散。

[0024] 进一步的，经过上述描述可知，注浆参数的具体取值需要根据实际情况进行设置，因而在此不做限制。

[0025] S3、考虑多孔介质迂曲度，进而基于宾汉姆流体的流变方程和注浆管中微元体的力学分析方程确定宾汉水泥浆液的渗流速度。

[0026] 其中，步骤S3具体包括如下步骤：S31、对注浆管中微元体进行力学分析得到所述力学分析方程，进而结合所述流变方程得到宾汉水泥浆液的剪切速率方程。

[0027] 具体的，在本实施例中，请参见图2，对注浆管中半径为r，长度为 的微元体进行力学分析可得其对应的力学分析方程满足如下关系：，
其中，P为注浆管中微元体前端的压力， 为注浆管在微元体长度上压力的变化量，为注浆管内壁的剪切应力，为宾汉水泥浆液的密度，为重力加速度，为所述注浆管铺设角度，为宾汉水泥浆液流动方向与注浆管轴线的夹角。

[0028] 对该力学分析方程进行简化，可得剪切应力满足如下关系：，
宾汉姆流体的流变方程为：
，
其中，为宾汉水泥浆液的塑性粘度， 为宾汉水泥浆液的屈服剪切应力，为剪切速率， 为宾汉水泥浆液中某一点附近宾汉水泥浆液流速 随注浆管中微元体的半径r的变化率。

[0029] 将剪切应力的计算关系式带入宾汉姆流体的流变方程，得到剪切速率的计算关系式，即剪切速率方程满足如下关系：，
S32、对所述剪切速率方程进行积分得到宾汉水泥浆液流速，并根据所述宾汉水泥浆液流速计算注浆管内的宾汉水泥浆液流量。

[0030] 具体的，在本实施例中，对步骤S31得到的剪切速率方程进行积分得到不同微元体半径下宾汉水泥浆液流速满足如下关系：，
其中， 为宾汉水泥浆液的流核半径， 为注浆管半径。

[0031] 得到不同微元体半径下宾汉水泥浆液流速之后，可以进一步的计算出注浆管内的宾汉水泥浆液流量Q，宾汉水泥浆液流量Q满足如下关系：，
其中，W是为了书写简便而设定的代数式，且 。

[0032] S33、根据所述宾汉水泥浆液流量计算注浆管内的宾汉水泥浆液平均流速，进而根据Dupuit‑Forchheimer公式获取宾汉水泥浆液的参考渗流速度。

[0033] 具体的，在本实施例中，宾汉水泥浆液平均流速满足如下关系，，
其中，为宾汉水泥浆液平均流速。

[0034] 根据步骤S32中得到的宾汉水泥浆液流量的计算关系式，可以进一步得到宾汉水泥浆液平均流速满足如下关系：，
进一步的，根据Dupuit‑Forchheimer公式可知：
，

[0035] 其中，为宾汉水泥浆液的参考渗流速度，为多孔介质特性数据。

[0036] 将宾汉水泥浆液平均流速的计算关系式带入Dupuit‑Forchheimer公式中，可得：，
S34、注浆后，考虑多孔介质迂曲度对参考渗流速度进行修正，得到所述渗流速度。

[0037] 具体的，在本实施例中，根据步骤S32中得到的宾汉水泥浆液流量的计算关系式，当宾汉水泥浆液流量为0时，有：，
对此关系式进行求解，可得：
，
其中，为宾汉水泥浆液的启动压力梯度。

[0038] 当开始注浆后，宾汉水泥浆液的压力梯度将远大于宾汉水泥浆液的启动压力梯度，即：，
因此，可对宾汉水泥浆液的参考渗流速度的计算关系式进行简化，得到：
，
即：
，
在实际的渗流进程中，宾汉水泥浆液的渗透运动轨迹并非是一条直线，这是因为宾汉水泥浆液受到土体内部结构作用，因此其渗透运动轨迹将为一条弯曲的路径。鉴于此，需要对简化后的参考渗流速度的计算关系式中 进行修正。

[0039] 由于多孔介质迂曲度满足如下关系：，
，
其中， 为所述多孔介质迂曲度， 为宾汉水泥浆液在多孔介质中的实际流动路径长度，为宾汉水泥浆液的实际流动路径长度在垂直于水平面方向上的长度。

[0040] 因此 ，使用实际流动路径长度的变化量 替换简化后的参考渗流速度的计算关系式中的 并进行整理，可以得到：
，
其中，V为渗流速度。

[0041] S4、在柱形扩散边界条件下基于所述渗流速度以及单位时间注浆量计算公式构建柱形渗透注浆范围求解模型。

[0042] 其中，步骤S4具体包括如下步骤：S41、根据所述渗流速度和所述单位时间注浆量计算公式建立压力梯度方程。

[0043] 具体的，在本实施例中，单位时间注浆量满足如下关系：，
其中，q为单位时间注浆量，h为柱形扩散高度。

[0044] 因此 ，结合步骤S34中得到渗流速度的计算关系式可得压力梯度方程满足如下关系：，
S42、对所述压力梯度方程积分，并考虑柱形扩散边界条件，得到所述柱形渗透注浆范围求解模型。

[0045] 具体的，在本实施例中，考虑柱形扩散边界条件，即当 时， ，当时， ， 为注浆压力， 为地下水压力， 为柱形渗透注浆空间扩散范围量
化指标， 也就是宾汉水泥浆液在柱形渗透注浆空间的扩散距离。

[0046] 更为具体的，对压力梯度方程积分，并考虑柱形扩散边界条件，可以得到：，
又由于 ，因此可得柱形渗透注浆范围求解模型满足如下关系：
，
S5、根据所述注浆参数，使用柱形渗透注浆范围求解模型求解柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标，用以确定柱形渗透注浆范围。

[0047] 具体的，在本实施例中，将实时设定的注浆参数带入柱形渗透注浆范围求解模型中求解柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标，进而确定宾汉水泥浆液在柱形渗透注浆空间的扩散距离。

[0048] 需要说明的是，在一些情况下，在说明书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果，在本实施例当中，所给出的步骤顺序仅仅是为了使实施例看起来更加清晰明了，方便说明，而非对其限制。

[0049] 在一个可选地实施例当中，请参见图3，本发明还提供了考虑多孔介质迂曲度的柱形渗透注浆范围确定系统，所述的考虑多孔介质迂曲度的柱形渗透注浆范围确定系统包括：数据采集设备1、数据输出设备2、处理器3和储存器4，所述储存器4包括一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被所述处理器3执行时使所述处理器3实现实施例步骤S1至步骤S5所述的内容。

[0050] 具体的，在本实施例中，数据采集设备1包括水压力计传感器和流变仪等仪器以及一块数字显示屏，用来采集或者输入多孔介质特性数据、地下水压力、宾汉水泥浆液特性数据和注浆参数。数据输出设备2也包括一块数字显示屏，用于展示求解得到的柱形渗透注浆空间扩散范围量化指标。

[0051] 本系统能够稳定性运行本方法，提高柱形渗透注浆范围确定效率，并能够提高本方法的实用性。

[0052] 综上所述，本方法能够充分考虑多孔介质迂曲度、宾汉水泥浆液自重与角度等多种因素，实现对宾汉水泥浆液的柱形渗透注浆范围的精确确定，以提高生态修复工程中注浆的质量和可靠性，满足复杂生态工程环境下的建设需求，实现生态系统的有效修复和可持续发展。此外，本系统能够稳定性运行本方法，提高柱形渗透注浆范围确定效率，并能够提高本方法的实用性。

[0053] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。