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三维交叉岩石裂隙中表面粗糙度和剪切过程对溶质运移的影响研究

一、主要作者与发表信息

本研究由Bo Li（同济大学土木工程学院岩土工程系）、Jiujun Xu（绍兴大学浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室）、Jie Zhong（绍兴大学）、Na Huang（山东科技大学土木工程与建筑学院，通讯作者）及Liangchao Zou（瑞典皇家理工学院可持续发展与环境科学工程系）合作完成，发表于《International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences》（2023年7月23日在线发表）。

二、学术背景

研究领域：岩石力学、裂隙流体运移与溶质传输。

研究动机：
自然岩石裂隙网络是地下流体（如地热能、污染物、放射性废料）运移的主要通道，而裂隙交叉点（fracture intersections）是流体混合与重新分配的关键区域。传统模型通常将裂隙简化为光滑平行板（parallel-plate model, PPM），但实际裂隙表面粗糙度（surface roughness）和剪切作用（shear processes）会显著影响流体通道化和溶质混合行为。既往研究多关注单一裂隙的流动特性，而对三维交叉裂隙（3D crossed fractures）在剪切条件下的溶质传输机制缺乏系统分析。因此，本研究旨在揭示表面粗糙度与剪切过程如何共同影响交叉裂隙中的流体流动与溶质混合。

研究目标：
1. 建立粗糙壁交叉裂隙（rough-walled crossed fracture models, RWMs）的数值模型，量化表面粗糙度对溶质混合的影响；
2. 分析剪切位移（shear displacement）和剪切诱导扩容（shear-induced dilation）如何改变裂隙交叉点的几何结构与流动路径；
3. 提出修正传统平行板模型的定量关系，以更准确预测实际裂隙网络中的溶质传输行为。

三、研究方法与流程

1. 样品制备与剪切试验

• 研究材料：选取花岗岩（granite）和砂岩（sandstone）样品，切割为50 mm立方体，沿两个正交中心轴劈裂形成交叉裂隙（图2a-d）。花岗岩裂隙表面粗糙度显著高于砂岩。
  
• 表面扫描：使用Keyence VR-3100 3D光学扫描仪（分辨率0.1 μm）获取裂隙表面形貌数据，采样间距0.2 mm。
  
• 直接剪切试验：采用GCTS 150测试系统，在恒定法向应力（1.0 MPa）下以0.5 mm/min速率剪切至10 mm位移，记录法向与剪切位移。通过改进的Barton经验模型（式1-4）预测不同法向应力（1.0、5.0、10.0 MPa）下的扩容曲线。
  

2. 数值模型建立

• 粗糙壁模型（RWMs）：基于扫描数据构建三维交叉裂隙模型（图2e-f），分别标记为RWM-S（砂岩）和RWM-G（花岗岩）。为简化计算，提取中心20×10×20 mm区域作为分析域，初始裂隙开度设为0.35 mm以避免网格畸变。
  
• 平行板模型（PPMs）：作为对比组，建立相同平均开度的光滑裂隙模型，分为常规组（各分支开度恒定）和扩容组（剪切分支开度随扩容变化）。
  
• 剪切过程模拟：选择代表性剪切位移（δs’=0%、5%、10%、20%、30%）并施加对应法向位移，以模拟剪切引起的裂隙几何变化。
  

3. 流体与溶质传输模拟

• 控制方程：
  
  • 流体流动：求解Navier-Stokes方程（式5-6）；
    
  • 溶质传输：求解对流-扩散方程（式7），引入Péclet数（Pe，式8）和Reynolds数（Re，式9）表征流动 regime。
    
• 边界条件：设定六种入口-出口组合（表2），入口分别注入蒸馏水和溶质（浓度c0=1 mol/m³），出口压力设为0，模拟稳态流动与混合行为。
  
• 混合比（Mixing Ratio, MR）：通过式10量化溶质在出口分支的混合程度，其中MR=0.5代表完全混合，MR=0代表无混合。
  

4. 数据分析

• 通过COMSOL Multiphysics软件模拟流场与浓度分布；
  
• 对比PPMs与RWMs的MR随Pe和剪切位移的变化，量化表面粗糙度和剪切影响的差异；
  
• 建立δMR（Pe=10⁻⁴与Pe=600的MR差值）与剪切参数的定量关系（式11-17），用于修正传统模型。
  

四、主要研究结果

1. 剪切对流动路径的影响

• PPMs：剪切位移增加会导致连接分支（Connection Branch, CB）形成（图5）。在部分入口组合（如C1、C3）中，CB内出现滞留流体（C1）或单向流动（C3），显著降低混合效率（图7）。
  
• RWMs：粗糙表面导致流线迂曲（图11），溶质更易通过快速通道（fast migration channels）进入出口分支，尤其在剪切扩容后，剪切分支成为主导流动路径（图12）。
  

2. 剪切与粗糙度对混合比（MR）的协同作用

• 低Pe（Pe=0.01）：扩散主导，RWMs与PPMs的MR均接近0.5（完全混合）；
  
• 高Pe（Pe=600）：
  
  • PPMs：MR随剪切位移增加而降低（C1、C3）或升高（C2），取决于CB的流动特性（图7-8）；
    
  • RWMs：花岗岩（高粗糙度）的MR受Pe影响更小，因粗糙表面促进局部混合（图13）。剪切位移>20%时，MR趋近1.0，表明溶质几乎全部通过扩容的剪切分支流出。
    

3. 定量修正模型

• 提出δMR与剪切参数（δs’、δn’）的拟合方程（式11-17），可用于修正PPMs对实际裂隙混合行为的低估（图9-10）；
  
• 表面粗糙度的影响（δMR’）随剪切位移增加而减弱（图16），但在高法向应力下更显著（图15）。
  

五、研究意义与价值

1. 科学价值：揭示了剪切过程通过改变交叉裂隙几何结构与开度分布，显著影响溶质混合模式，弥补了传统平行板模型的局限性；
   
2. 应用价值：提出的定量关系可为地热能开发、污染物迁移评估和核废料处置库设计中的裂隙网络模拟提供更准确的参数化方法；
   
3. 方法论创新：结合光学扫描、剪切试验与高分辨数值模拟，建立了从实验室到场尺度的跨尺度分析框架。
   

六、研究亮点

1. 创新性发现：首次系统量化了剪切与粗糙度对三维交叉裂隙溶质传输的耦合影响，揭示剪切诱导的通道化效应（channeling effect）是混合行为的主控因素；
   
2. 技术先进性：通过实验与模拟结合，验证了改进Barton模型预测剪切扩容的可靠性，并开发了适用于复杂裂隙的CFD方法；
   
3. 工程指导性：证明在高Pe条件下（如深层裂隙流动），传统完全混合/流线分配模式的假设可能严重偏离实际，需引入几何修正。
   

七、其他补充

• 未考虑裂隙表面的损伤与填充物影响，未来可结合 shear-induced wear 模型进一步研究；
  
• 附录提供了镜像入口组合（C4-C6）的数据（图A1），验证了主要结论的普适性；
  
• 数据集可根据需求公开，支持后续研究复用。