本研究的主要作者为合肥工业大学的张浩明、钱家忠（通讯作者）、马雷，以及瑞典皇家理工学院的邹亮超（通讯作者）和Vladimir Cvetkovic。该研究论文题为《Effect of shear-induced geometry changes on solute mixing at 3D rough-walled fracture intersections》（剪切诱导的几何变化对三维粗糙裂隙交叉处溶质混合的影响），发表于《Journal of Hydrology》期刊，具体卷期是671卷，发表于2026年。
该研究属于水文地质学、岩石力学与地下水污染迁移交叉的科学领域。在裂隙化岩体中，裂隙网络是流体流动和溶质（如污染物、核素）迁移的主要通道，而裂隙交叉点（fracture intersections）则是控制流场和溶质混合（solute mixing）行为的关键部位。准确理解交叉点处的混合过程，对于预测核废料地质处置、二氧化碳地质封存以及地下水污染物运移等工程应用至关重要。过去的研究大多基于二维光滑平行板交叉模型，或部分考虑了粗糙度的三维模型，探讨了佩克莱特数（Péclet number, Pe）对混合模式（从完全混合到流线分选）的控制作用。然而，自然界和工程中的岩体常受到地质构造或工程活动产生的剪切作用，导致裂隙发生剪切位移（shear displacement），从而改变其几何形态和水力特性。先前的研究主要关注垂直于裂隙交叉方向的剪切，而对于平行于交叉方向的剪切如何影响交叉点几何形态并进而影响溶质混合，尚缺乏系统研究。因此，本研究旨在填补这一知识空白，其核心目标是：（1）探究平行于交叉方向的剪切位移如何通过改变三维粗糙裂隙交叉点的几何结构来影响流体流动和溶质混合过程；（2）量化剪切诱导的几何变化对溶质混合比的影响，并建立几何参数与混合比之间的定量关系。
研究工作的详细流程如下： 第一，三维粗糙裂隙交叉模型的构建与剪切处理。 本研究的研究对象是三维粗糙壁面裂隙交叉模型（Rough-Walled Models, RWMs）。首先，采用一块真实花岗岩裂隙面的扫描数据（尺寸200 mm × 100 mm，扫描精度0.2 mm）作为基础。通过将该表面垂直上抬1 mm，并沿其长度方向剪切1 mm，构造了一个具有非均匀开度（aperture）分布的单条裂隙。从中截取40 mm × 40 mm的中心区域，并将其切割成四部分，形成交叉裂隙的四个分支。通过旋转和拼接，构建了一个正交的、四个分支壁面均粗糙的三维交叉裂隙基础模型（未剪切，剪切位移δ́ s = 0%）。为了模拟平行于交叉方向的剪切，研究固定模型底部四个表面，而使顶部四个表面沿指定方向发生平移。通过设置不同的剪切位移量（δs = 1至10 mm），对应归一化剪切位移（δ́ s）从10%到100%，共建立了10个具有不同剪切程度的RWM模型。同时，研究还计算了各分支开度的相对标准偏差（Relative Standard Deviation, RSD）和交叉剖面粗糙度参数（z2）来量化几何变化。
第二，流体流动与溶质迁移的数值模拟。 对每一个建立的RWM模型，研究采用数值模拟方法研究其内部的稳态流场和溶质浓度场。流体流动通过求解纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）和连续性方程来描述，假设流体为不可压缩牛顿流体，流动为层流（雷诺数Re在研究中设定为1.01，确认为层流状态）。溶质迁移通过求解稳态的对流-扩散方程（advection–diffusion equation）来描述，假定溶质为保守的，且裂隙壁面无吸附作用。所有控制方程的求解均使用商业软件COMSOL Multiphysics中的有限元法实现。模拟流程是耦合的：首先求解流场获得稳定的速度分布，然后将此速度场作为输入，求解溶质浓度场。
第三，边界条件与关键参数设定。 在数值实验中，设定分支1和分支2为流体入口，具有相同的恒定流速（Q1 = Q2 = Q）；分支3和分支4为出口，压力设为0。对于溶质迁移，仅在分支1入口施加恒定浓度（C0 = 1 mol/m³），模拟示踪剂的连续注入，其他入口和出口的浓度边界设为0。通过调整入口流速Q，实现了佩克莱特数（Pe）在0.1到500之间变化，从而覆盖了扩散主导（Pe小）到对流主导（Pe大）的传输机制。核心评价指标是混合比（Mixing Ratio, MR），定义为流入带溶质入口（分支1）所对向的出口（分支3）的溶质通量占总出口溶质通量的比例。MR越高，表明溶质在交叉点发生“转向”的比例越低，即更多溶质沿着“直通”路径（分支1到分支3）运移。
第四，数据处理与分析方法。 研究通过可视化技术展示不同剪切位移和不同Pe下的流线分布和浓度场。通过后处理计算各出口的流量比、混合比（MR）。为了量化交叉点的几何特征对混合的控制作用，研究提出了一个创新的几何参数——重叠面积比（Overlapping Area Ratio, AR）。其计算方法是：在交叉点区域，将两个直接相对的入口和出口（如分支1入口面和分支3出口面）投影到同一平面上，计算它们投影区域的重叠面积。重叠面积比AR定义为分支1与分支3的重叠面积除以所有入口-出口对重叠面积之和。AR值反映了交叉点处“直通”路径的几何连通性程度。
本研究的主要结果如下： 关于流场： 模拟结果显示，在低雷诺数（Re = 0.203）下，流线分布形态不随Re变化。在未剪切模型中，由于裂隙壁面粗糙导致的非均匀开度分布，流线在分支内已呈现非平行分布和沟道化（channeling）。当流线通过交叉点时，发生重新分配。随着平行剪切位移（δ́ s）的增加，流向分支3的流线明显多于流向分支4的流线，分支3逐渐成为优势出水路径。流量比的计算也证实了这一点：随着δ́ s增大，分支3的流量比持续上升，分支4的下降，在最大剪切位移时，分支3的流量比可达分支4的近9倍。这表明剪切位移显著改变了交叉点的流场分配，增强了流向特定出口的“偏流”现象。
关于Pe对混合的影响（基准分析）： 在未剪切的RWM中，浓度分布强烈依赖于Pe。当Pe < 1（扩散主导）时，两个出口浓度接近0.5，表现为近似完全混合模式，MR约等于分支3的流量比（约0.57）。当Pe在1到100之间时，对流作用增强，出口浓度出现分化，分支4浓度上升，分支3下降，MR随之降低。当Pe > 100（对流主导）时，浓度分布基本稳定，溶质羽流与密集流线区域高度重合。一个关键发现是：即使在很高的Pe下（如500），MR并未降至零（约为0.22），这与经典的二维光滑交叉裂隙模型中高Pe下MR趋于零（即流线分选模式）的结果截然不同。这证实了三维粗糙裂隙交叉点的不规则几何形态会促进沟道流跨越交叉点，从而增强了溶质混合。
关于剪切位移对混合的影响： 在不同的Pe条件下，MR均随着剪切位移δ́ s的增加而增加。这意味着平行剪切增强了溶质从分支1向分支3（对向出口）的输运，从而降低了溶质在交叉点的实际混合程度（即更多溶质“直通”了）。例如，在Pe=100时，当δ́ s从0%增至100%，MR从约0.22上升到约0.79。此外，剪切还降低了MR对Pe的依赖性。在未剪切时，MR随Pe升高下降幅度很大；而在大剪切位移下，MR随Pe变化的范围显著收窄。研究还发现，当Pe ≥ 100时，混合比MR与从分支1出发、终止于分支3的流线比例高度吻合，表明在高对流条件下，溶质输运路径主要由流线决定，分子扩散影响甚微。
关于几何参数与混合比的定量关系： 研究系统评估了开度相对标准偏差（RSD）、粗糙度参数（z2）和新提出的重叠面积比（AR）与MR的相关性。Pearson和Spearman相关性分析表明，RSD和z2与MR的相关性较弱或不稳定。而重叠面积比AR与MR表现出极强的正相关。AR越大，意味着分支1与分支3在交叉点区域的几何连通性越好，MR就越高。基于大量模拟数据，研究建立了一个连接AR与MR的经验公式：MR = a - b * c^AR，其中a, b, c为依赖于Pe和裂隙几何形态的拟合参数。该公式被证明能有效地刻画不同Pe和不同剪切程度下MR随AR的变化规律，即使对于从同一花岗岩面不同区域提取构造的另一组RWM也适用。进一步分析发现，公式中的参数在Pe约等于1处存在拐点，反映了混合机制从扩散主导向对流主导的转变。
研究的结论可总结如下：本研究首次系统地揭示了平行于交叉方向的剪切位移对三维粗糙裂隙交叉处溶质混合行为的影响机制。研究证实，剪切位移通过改变交叉点处的局部几何结构（特别是重叠面积），显著调控了流场的重新分配和溶质的运移路径。剪切增强了优势流通道的形成，从而提高了溶质对向运移的比例（即提高了混合比MR）。研究提出的重叠面积比（AR） 是一个能有效量化交叉点几何结构并预测溶质混合行为的强有力指标，所建立的经验关系式为此类复杂物理过程的定量预测提供了新工具。
本研究的科学价值与应用意义在于：1）深化了对剪切作用下裂隙网络关键节点（交叉点）中流体与溶质运移微观机制的理解，将力学变形与水文传输过程更紧密地耦合起来。2）明确了平行剪切与垂直剪切对交叉点混合行为影响的差异性，完善了相关理论。3）所提出的基于重叠面积比的量化方法，为将来在更大尺度裂隙网络中升尺度（upscaling）模拟溶质运移提供了潜在的局部尺度参数化方案。这对于高放射性核废料地质处置库性能安全评估、CO2封存体稳定性分析以及地下水污染物迁移预测等实际工程问题具有重要的应用价值。
本研究的亮点和创新之处包括：1）首次聚焦于平行于裂隙交叉方向的剪切位移这一前人未深入探讨的力学条件，填补了研究空白。2）采用了基于真实花岗岩扫描数据构建的全三维粗糙壁面交叉裂隙模型，比简化模型更贴近实际地质条件。3）创新性地定义并应用了重叠面积比（AR） 这一直观的几何参数，成功建立了剪切诱导的几何变化与溶质混合比之间的定量经验关系，是方法论上的一个重要进展。4）通过系统的数值实验，清晰揭示了在三维粗糙模型中，即使在高Pe下混合比也不会降为零的独特现象，并阐明了其物理根源在于不规则交叉几何导致的沟道化跨越流。
其他有价值的内容：研究在讨论部分也指出了当前工作的局限性及未来方向，例如：本研究假设了理想的均匀剪切过程，而天然剪切可能伴随裂隙的扩容（dilation）和扩展；模型尺度相对较小，混合行为可能存在尺度效应；流动限于层流区，未考虑高雷诺数下可能产生的涡流（eddies）对混合的影响；假设了两个入口流量相等，未来需研究不等流量边界条件的影响等。这些都为后续研究指明了方向。