岩溶地区地下工程施工通常伴随着复杂的地质条件,岩溶裂隙-管道纵横交错,地下水径流条件异常复杂,导致突涌水灾害频发且治理难度极大。在地下工程突涌水灾害治理中,注浆是最常用的方法,浆液的扩散运移规律对工程设计和施工具有重要的意义。由于岩溶介质的复杂性导致浆液扩散过程极具隐蔽性,其扩散规律无法被直观的判定,因此复杂岩溶介质三维地质模型的构建是开展注浆扩散机理研究的基础。另一方面,岩溶地区工程地质环境复杂多变,浆液在动水条件下的扩散规律及封堵机理缺乏有效的研究手段,数值计算方法可以实现浆液扩散过程的可视化仿真,但是浆水相互作用理论不完善限制了其推广应用。此外,岩体介质的不同必然导致浆液扩散过程产生较大差异,其中所涉及的注浆扩散理论也将不同,针对复杂的岩溶裂隙-管道介质目前尚缺乏一种统一的注浆模拟分析方法。针对上述问题,本文以理论分析、数值模拟及试验验证为主要研究手段,提出了一种确定与随机相结合的复杂岩溶裂隙-管道介质三维地质建模方法,建立了一种统一的裂隙-管道介质动水注浆扩散模拟分析方法,并开展了数值方法的验证及应用研究,以期为实际工程浆液选型、注浆参数确定以及注浆工艺优化提供理论依据。本文的主要研究工作及成果如下:(1)根据节理、层理在岩体表面的出露特点分别进行数据采集,利用区域生长算法提取面状节理的产状信息;结合三维空间点云数据以及真实图像数据开展人工干预的半自动线状层理信息采集。从几何学、地质统计学的角度给出三维空间中复杂结构面的分组、空间密度分布函数,并编制相应的计算程序,完成裂隙网络模型构建,最终提出了一种裂隙网络确定-随机识别与建模方法(DSIM-Deterministic-Stochastic Identification and Modelling),降低了岩体内部的不确定性。利用ICMC(Improved Coupled Markov Chain)理论建立了考虑地层变异性的裂隙岩体模型,利用傅里叶变换方法实现了粗糙管道表面模型构建。在现有三维空间数据可视化技术基础上,针对性的开展了石灰石矿山三维空间数据建模分析,探索研究了多源复杂空间数据的一体化管理、空间分析等关键技术,为注浆扩散模拟分析提供了基础模型。(2)提出了注浆分序扩散固化模型与数值模拟方法(SDS-Sequential Diffusion and Solidification),将注浆过程离散为一个分序扩散固化过程,比传统方法具有明显优势,不同序次浆液注入后服从各自的粘度时变函数,合理表征了浆液粘度变化的时间特性;并基于计算流体力学、多相流理论,追踪和更新不同序次浆液注入后的空间位置变化,进而合理表征了浆液粘度变化的空间特性,最终解决了浆液黏度时空双变难以表征和数值实现的难题。基于SDS方法建立了以粘性不可压缩多相流模型为基础,并采用流体体积法在固定欧拉网格下追踪分序相界面的移动,引入逆梯度处理方法确保了分序相界面的尖锐性,利用通量修正传输算法保证了分序次浆、水相分数的有界性,进而解决了分序次浆、水相界面的精细刻画与界面追踪问题。针对浆液固化期粘度指数增大计算不收敛的关键问题,基于实验测试和理论研究,提出了浆液固化期粘度阈值模型,解决了考虑粘度时空双变、浆液扩散区域空间搜索及浆液扩散形态追踪等复杂问题并存条件下的计算收敛性问题,实现了动水注浆过程浆液扩散与相变固化过程模拟。SDS方法采用统一的多相流理论和数值算法表征不同序次浆液和水的相互作用,模型和数值算法不依赖于被注裂隙或管道的介质特征,同时适用于裂隙层流、裂隙紊流和管道紊流,因此,SDS方法和处理思想统一了裂隙-管道介质的动水注浆模拟分析,避免了不同介质采用不同模型和算法带来的介质耦合模拟问题,实现了裂隙-管道介质浆液扩散过程粘度-压力-速度时空演化全过程仿真分析。(3)开展了 SDS方法在静水、动水条件下裂隙介质的有效性及可行性分析,探究了动水流速对注浆压力的变化、浆液的逆流扩散距离以及顺流扩散形态的影响规律。该模型较为真实的刻画了裂隙动水注浆扩散沉积形态,并进一步在工程尺度验证了该模型在溶蚀宽大裂隙、三维复杂裂隙网络注浆扩散机理研究方面的适用性及可行性。利用管道动水注浆模拟试验系统,开展了速凝类浆液动水注浆室内试验研究,对比验证了 SDS计算方法在管道型动水注浆模拟方面的有效性及可行性,并进一步在工程尺度验证了 SDS方法在粗糙管道动水注浆扩散机理研究方面的可行性,为揭示工程尺度管道介质动水注浆封堵机理提供了合理有效的方法。(4)针对大流量岩溶管道动水注浆封堵难题,利用SDS模拟分析方法揭示了控流降速及双孔联合注浆的作用机理,以期为实际注浆生产提供理论基础,优化注浆设计方案,为合理浆液选型提供依据。管道控流降速以及双孔联合注浆堵水机理方面的研究成果应用于广西平南特大涌水治理工程,指导了注浆方案的设计,实现了大流量岩溶管道的成功封堵,解放了水害影响下的矿产资源。