滴状流条件下非饱和交叉裂隙分流机制研究

交叉裂隙作为裂隙网络的基本结构是控制场地尺度非饱和渗流特性的关键。随着流量的减小,交叉裂隙非饱和渗流将从连续、稳定的线状流转变为非连续、非稳定的滴状流,但目前对后者的研究还很少。在滴状流条件下,开展了交叉裂隙非饱和流动特性的理论和试验研究,发现了交叉裂隙滴状流存在毛细力驱动以及重力与毛细力联合驱动两种分流驱动模式。基于瞬态静力平衡方法,提出了一套液滴分流理论及计算模型,实现了动态分流过程的定量化描述与预测。结合模型预测与可视化试验,详细探究了两种模式下液滴的分流过程,阐明了动态分流行为受重力、毛细力、黏滞力共同控制的细观机制,并揭示了液滴长度、裂隙倾角、通道中液体的累积等因素对界面流速、分流体积比例的影响。研究成果为低流量、低饱和度条件下非饱和裂隙岩体渗流的预测与控制提供了理论及试验支撑。     

岩溶含水层饱和-非饱和流动与污染物运移数值模拟

岩溶含水层中的地下水是重要的可饮用水来源, 由于其复杂的水文地质特征, 采用数值模型分析和评价含水层中地下水环境极具挑战性。采用变饱和度流动方程描述含水层基质中的饱和-非饱和流动, 采用管道流方程描述岩溶管道中的层流及紊流流动, 基于流动解采用对流弥散方程分别描述基质与管道中的溶质迁移过程。根据相关实验数据以及MODFLOW-CFP程序的模拟结果对流动模拟的准确性进行验证, 并基于此开展了岩溶管道以及非饱和参数对地下水流动及污染物迁移影响的模拟。结果显示, 数值模型能很好地重现含水层中饱和区与非饱和区以及岩溶管道的地下水动态, 岩溶管道对含水层的渗流场产生了较大的影响。管道中快速流动的特性使得周围的水向其中汇集, 影响了局部流动场, 进而使得泄露的污染物质随水流进入管道, 快速向管道出口处(泉点)迁移, 突破曲线显示管道出口处的污染物浓度响应速度远快于基质中对应的位置, 非饱和参数对管道中污染物浓度的响应速率有着不同程度的影响。建立的模型完善了岩溶含水层中非饱和区地下水流动、污染物运移以及基质-管道流动与溶质运移耦合模拟等方面的工作, 加深了对岩溶含水层地下水动力学以及污染物迁移过程的认识, 对岩溶水文地质及地下水环境等方面具有重要意义。      

浆液在透明复制裂隙中驱替行为的可视化试验研究

在地下工程中,注浆技术是修复裂隙岩体和封堵地下水的重要手段。了解浆液在岩石裂隙中的流动行为对优化注浆方案有重要意义。通过可视化试验研究了粗糙裂隙中浆液性质对注浆过程的影响规律,提出了驱替模式试验相图,并阐明了其细观机制。试验结果表明,浆液的驱替行为与传统牛顿流体不同,注浆速度和浆液质量分数显著影响粗糙裂隙中浆液的驱替模式;在浆液的驱替过程中,浆液流变性质和裂隙开度变异性的共同作用及其相互反馈影响引起的黏度变化是形成不同驱替模式的重要原因;注浆流速越小,浆液质量分数越大,两相界面越稳定,浆液最终填充率越高;驱替过程中浆液难以完全填充裂隙的较小开度区域,且随着注浆流量的增加,浆液最终填充率呈现明显的非单调性;浆液最终填充率受驱替形态的影响显著,基于界面稳定分析理论,推导了浆液在粗糙裂隙中驱替形态转变的临界条件。该研究成果揭示了粗糙裂隙中浆液扩散的机制,可为评价与控制岩体注浆效果提供参考依据与技术思路。