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。     

考虑裂隙附加水压的岩体断裂强度分析

修建大坝、隧洞等工程活动必将对其周围岩体产生扰动,导致赋存于岩体裂隙中的水产生附加水压,从而使岩体在扰动荷载和裂隙水压作用下沿裂隙面失稳扩展。首先基于夹杂理论,推导出扰动荷载所引起的裂隙附加水压的解析式,并应用数值分析进行验证,然后分析裂隙附加水压随岩石力学性质、裂隙形状以及裂隙倾角的变化规律。其次,应用岩石压剪断裂准则,推导出考虑裂隙附加水压的岩体断裂强度解析式。最后结合算例,进一步探讨了裂隙附加水压对岩体断裂强度的影响规律。结果表明,裂隙附加水压降低了岩体断裂强度,增大了岩体发生断裂破坏的倾角范围,使岩体更易于沿裂隙面发生水力劈裂失稳破坏;另外,岩石弹性模量、裂隙形状因子以及裂隙倾角对裂隙附加水压有显著影响,岩体断裂强度随岩石弹性模量和裂隙形状因子的增大而增大,且随裂隙倾角的增大,其增大的趋势更加明显。     

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。