基于压力反演的注浆浆液等效流变参数测定方法及系统

本发明涉及到注浆工程与流体流变测试，具体涉及到一种基于工程尺度单管沿程压力反演的注浆浆液等效流变参数测定方法及系统。

背景技术：

1、注浆工程广泛应用于岩土工程、地下工程和隧道工程等领域。浆液的流变特性直接影响其在管道、裂隙及裂隙网络中的流动范围、压力分布和扩散形态，是注浆工程数值模拟和工程计算中的重要输入参数。

2、目前，注浆浆液的流变参数通常通过旋转流变仪等实验室测试方法获得。该类方法受试样体积、剪切速率范围和边界条件限制，其测试条件与浆液在工程尺度管道或裂隙中的压力驱动流动状态存在差异。对于低黏度浆液或剪切稀化型非牛顿浆液，实验室测试所得参数可能难以充分表征工程尺度流动条件下的实际流量-压力响应。

3、此外，现有流变参数获取方法通常依赖于预设流变模型，即先假定浆液服从某一种本构关系，再根据测试结果拟合参数。当浆液在不同剪切条件下表现出复杂流动特征时，单一预设模型可能难以准确描述其工程尺度管流行为。因此，有必要提出一种基于工程尺度单管流动试验和沿程压力反演的等效流变参数测定方法，以获得更适用于注浆工程计算和数值模拟的等效流变模型及参数。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有实验室流变测试方法在试样尺度、剪切条件和工程适用性方面存在不足的问题，提供一种基于工程尺度单管沿程压力反演的注浆浆液等效流变参数测定方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、第一方面，提供一种基于压力反演的注浆浆液等效流变参数测定方法，包括如下步骤：

4、构建工程尺度单管流动试验系统，至少包括可更换内径的测试管道；

5、设置至少两种不同内径的测试管道，并在每一种测试管道的内径条件下设置至少三种不同平均流速工况，使注浆浆液在所述测试管道内形成稳态满管流动；

6、在各工况达到稳态后，同步采集注浆浆液的体积流量数据和测试管道内不同轴向位置处的压力数据；

7、基于所述压力数据与对应轴向位置之间的拟合关系，获得单位长度沿程压力梯度，并计算对应工况下的等效沿程压力降；

8、以获得的所述体积流量数据、所述单位长度沿程压力梯度或所述等效沿程压力降以及测试管道几何参数作为联合反演数据集，基于圆管稳态流动条件下的流量-压力降理论关系，建立多个候选流变模型对应的流量-压力降计算关系；

9、对各候选流变模型对应的流变参数进行反演，得到反演参数，并将反演参数代回相应的流量-压力降计算关系中进行误差评价；

10、根据误差评价结果，并结合候选流变模型的适用条件和反演参数的物理合理性，确定注浆浆液在工程尺度满管流动条件下的等效流变模型及其等效流变参数。

11、进一步地，所述测试管道为直管式可更换管道，不同测试管道具有相同的有效测试长度和不同的内径；所述测试管道的内径包括15mm、20mm、25mm和30mm中的两种或两种以上。

12、进一步地，所述平均流速工况通过调节注浆浆液的体积流量实现，不同的平均流速工况包括0.3m/s、0.5m/s、0.75m/s和1.0m/s中的至少三种。

13、进一步地，每一组由测试管道内径与平均流速共同确定的工况（试验工况）均重复进行多次试验，并以稳态区间数据的平均值作为该试验工况的代表性数据。

14、优选地，每一组试验工况至少重复进行三次试验。

15、进一步地，所述单位长度沿程压力梯度通过对至少三个压力测点处的压力值与对应轴向位置进行线性拟合获得，所述等效沿程压力降根据所述单位长度沿程压力梯度与有效测段长度计算得到，所述有效测段长度为参与线性拟合的首末压力测点之间的轴向距离。

16、进一步地，所述候选流变模型包括牛顿流体模型、幂律型流体模型、宾汉流体模型和赫歇尔-巴尔克莱流体模型中的两种或两种以上；所述流变参数包括牛顿流体模型对应的动力黏度、幂律型流体模型对应的稠度系数和流动指数、宾汉流体模型对应的屈服应力和塑性黏度、赫歇尔-巴尔克莱流体模型对应的屈服应力、稠度系数和流动指数中的一种或多种。

17、进一步地，所述反演参数的物理合理性包括：动力黏度大于零、稠度系数大于零、流动指数大于零、塑性黏度大于零，且屈服应力不小于零。

18、所述误差评价采用理论计算值与试验实测值之间的平均相对误差、平均绝对百分比误差、均方根误差、平均绝对误差和决定系数中的一种或多种作为评价指标。

19、在一些实施方式中，所确定的等效流变模型及其等效流变参数用于构建注浆浆液在工程尺度满管流动条件下的剪切速率-剪切应力关系以及剪切速率-表观黏度关系。

20、在一些实施方式中，所确定的等效流变模型及其等效流变参数作为注浆工程数值模拟分析或工程计算中的浆液本构输入参数，用于预测注浆浆液的流动范围、压力分布或扩散行为。

21、第二方面，提供一种基于工程尺度单管沿程压力反演的注浆浆液等效流变参数测定系统，用于实现如上所述的基于工程尺度单管沿程压力反演的注浆浆液等效流变参数测定方法，系统包括：浆液储存容器、注浆泵、流量调节装置、流量测量装置、可更换内径的测试管道、多个压力测量装置、数据采集装置和数据处理装置；

22、所述浆液储存容器与所述注浆泵连通，所述注浆泵用于将待测注浆浆液输送至所述测试管道；

23、所述流量调节装置设置于浆液输送路径上，用于调节进入所述测试管道的注浆浆液体积流量；

24、所述流量测量装置设置于所述测试管道的入口端，用于测量进入所述测试管道的注浆浆液体积流量；

25、所述测试管道为直管式可更换管道，用于形成不同管径约束下的满管流动工况；

26、所述多个压力测量装置沿所述测试管道轴向间隔布置，用于测量不同轴向位置处的压力数据；

27、所述数据采集装置分别与所述流量测量装置和多个压力测量装置连接，用于同步采集体积流量数据和压力数据；

28、所述数据处理装置与所述数据采集装置连接，用于根据所述体积流量数据、压力数据和测试管道几何参数，计算单位长度沿程压力梯度或等效沿程压力降，并进行候选流变模型的参数反演和误差评价，以确定等效流变模型及其等效流变参数。

29、进一步地，所述数据处理装置还被配置为基于圆管稳态流动条件下的流量-压力降理论关系，建立多个候选流变模型对应的流量-压力降计算关系，并根据误差评价结果、候选流变模型的适用条件以及反演参数的物理合理性，确定等效流变模型及其等效流变参数。

30、优选地，所述流量测量装置为电磁流量计，所述电磁流量计的公称通径与所述测试管道的内径相适配。

31、所述多个压力测量装置为多个压力传感器，所述多个压力传感器沿所述测试管道轴向间隔布置，并安装于所述测试管道管壁上的压力测量安装槽内。

32、优选地，所述压力传感器的数量不少于三个。

33、所述数据采集装置为无纸化记录仪，用于按照预设采样频率同步采集、显示和存储体积流量数据及压力数据。所述数据处理装置为计算机，所述计算机被配置为基于至少三个压力测点处的压力值与对应轴向位置之间的线性拟合关系，计算单位长度沿程压力梯度或等效沿程压力降。

34、所述测试管道包括多根具有不同内径且有效测试长度相同的直管式管道，所述多根直管式管道能够通过法兰连接件与所述流量测量装置可拆卸连接。

35、所述流量调节装置为流量调节阀，所述流量调节阀设置于所述注浆泵与所述测试管道之间的浆液输送路径上。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本基于工程尺度单管沿程压力反演的注浆浆液等效流变参数测定方法可获得反映注浆浆液在工程尺度满管流动条件下流量-压力响应特征的等效流变参数，并可用于注浆工程数值模拟和工程计算；能够解决现有实验室流变测试方法在试样尺度、剪切条件和工程适用性方面存在的不足；2、本方法通过多个压力测点处的压力数据与对应轴向位置之间的拟合关系获得单位长度沿程压力梯度或等效沿程压力降，避免仅依赖单一测点压差，提高了沿程阻力表征的稳定性；3、通过多管径、多平均流速工况组合获取试验数据，覆盖不同管径约束和不同剪切条件，有利于提高等效流变参数在工程尺度流动条件下的适用性；4、通过多个候选流变模型的参数反演和误差评价，并结合候选流变模型的适用条件及反演参数的物理合理性确定等效流变模型，避免单一预设流变模型造成的模型选择偏差；5、采用本发明获得的等效流变模型及等效流变参数，可作为注浆工程数值模拟分析或工程计算中的浆液本构输入参数，用于预测浆液流动范围、压力分布或扩散行为；6、本发明的系统采用可更换内径的直管式测试管道，并配合流量测量装置、多个压力测量装置、数据采集装置和数据处理装置，可在同一试验框架下实现多管径、多流速工况的流量-沿程压力数据获取和参数反演。