应力-渗流耦合作用下斜坡岩体结构面物质溶解-沉淀-运移机理研究

Under the background of mass transformation and migration issues due to geo-stress and underground water coupling effect in rock slope structural plane during landslide propagation, experiments of single fracture under constant stress and chemical solution seepage are conducted with specimens from Touzhai landslide in Zhaotong of Yunnan Province. Variations of fracture in long-term deformation, surface geometry, mineral conformation and solution ingredients are investigated. Non-equilibrium thermodynamic water-rock dissolution-precipitation in the case of stress-induced high Gibbs free energy is studied, as well as stress-seepage competition mechanism during water-rock dissolution-precipitation process, and fluid-solid interface dynamic evolution caused by dissolution-precipitation-migration. Models are established respectively concerning stress-forced dissolution-precipitation kinetics, multi-components fluid reaction-migration, and mesoscopic geometric transformation of water-rock interface. Embed these modules into Finite Element Method-Lattice Blotzmann Method algorithm to verify the reasonableness of numerical simulation and mechanism analysis. The goal of the project is to provide prediction methodology for long-term deformation and failure of natural structural plane during large scale rock slope sliding propagation process.

以滑坡孕育过程中斜坡岩体结构面在地应力与地下水共同影响下的物质转换迁移问题为研究对象，取样云南昭通头寨滑坡玄武岩开展恒定荷载-渗流作用下的单裂隙面溶解-沉淀-运移试验。观测裂隙面宏观长期变形、细观表面形貌、矿物组成、溶液成分等性质的变化。揭示应力产生的高Gibbs自由能作用下非平衡态水岩溶解-沉淀反应动力学机理，水岩溶解-沉淀过程中的应力-渗流耦合竞争机制、溶解-沉淀-运移引起的裂隙面流-固接触边界动态演化规律。建立应力作用下水岩溶解-沉淀动力学模型、多组分流体反应-运移模型及裂隙面固相边界动态演化模型。将上述模型嵌入考虑流固相互作用的有限元-格子Boltzmann耦合算法，以验证耦合机理分析与数值模型的合理性。最终为预测大型岩质滑坡孕育过程中天然结构面的长期变形及失稳行为提供理论依据。

为研究西南地区二叠系峨眉山玄武岩在长期应力-渗流-化学耦合作用下的物质运移及力学性能演化机理，本项目结合室内试验、机理分析及数值模拟，开展了化学溶液作用下玄武岩力学性能劣化试验、玄武岩主要造岩矿物的溶解动力学机理、多相多组分反应-运移模型及固液界面动态演化的细观格子Boltzmann算法等方面的研究。首先进行了玄武岩在不同pH值化学溶液的长期浸泡试验与干湿循环试验，获得了玄武岩单轴抗压强度、泊松比、弹性模量及吸水率随时间、干湿循环次数及溶液pH值的变化规律。通过溶液化学成分分析、SEM与接触角测试，获得了玄武岩中主要造岩矿物的元素迁移速率、溶解-沉淀规律及细观结构与表面能演化规律。基于界面化学的双电层理论，阐述了主要硅酸盐矿物与溶液反应的三种模式。基于格子Boltzmann方法，研究了不同相对粗糙度岩体裂隙的渗流特性，提出了层流状态下粗糙裂隙面渗流的立方定律修正公式。开发了考虑反应-运移引起裂隙面流-固接触边界动态演化的格子Boltzmann算法。研究了不同Pe及Da数情况下，反应、对流、扩散对粗糙裂隙面形貌及裂隙渗流特性的控制机制。本项目研究成果能够揭示玄武岩水岩化学反应动力学机制及其对岩体力学性质及裂隙渗流特性的影响，从理论上解释了矿物表面形貌的演化规律、溶质运移及典型矿物溶解沉淀机理，为西南地区二叠系峨眉山玄武岩在多场耦合环境下的劣化规律提供了理论依据，具有较好的学术价值和工程应用前景。