23 / 2025-03-29 16:06:57

黄土关键带空隙微细观结构仿真模拟及优先流特性研究

黄土三维空隙结构，X射线计算机断层扫描，逾渗理论，孔隙网络模型，优先流流态

【背景及意义】黄土是干旱半干旱地区的风成沉积物，具有疏松多孔、柱状节理发育、弱胶结的亚稳定结构，同时，黄土中普遍发育的大孔隙、裂隙等结构为黄土中降雨和灌溉入渗提供优势渗流通道，导致工程建设难度增加、地质灾害频发，制约了黄河流域特别是黄土高原地区经济的快速发展。因此，开展黄土关键带空隙微细观结构仿真模拟及优先流特性研究，对于揭示优先流动态演化规律及其工程灾变效应具有重要意义。

【材料与方法】为了探究黄土优先流特性、揭示优先流作用下滑坡灾害促滑机制，本研究以陕西省泾阳县南塬原状黄土为研究对象，采集原状黄土、古土壤样品，利用CT无损检测技术，从微细观尺度上对黄土三维空隙结构数字建模与可视化分析，提取黄土结构的特征参数；在加湿条件下对黄土样品进行动态造影CT扫描，探究干湿条件下水分二三维分布形态和空隙结构变化规律；利用逾渗理论进行细观尺度黄土优先流渗流通道特性研究，建立了黄土大孔隙网络模型，系统研究了优先流渗流的流态特征。

【主要成果】

（1）利用工业CT对马兰黄土（14组）、古土壤（6组）和离石黄土（3组）进行无损扫描和定量分析，将三维孔隙分为枝杈状孔隙、圆柱状孔隙、椭球状孔隙、球状孔隙和微裂隙，解决了微细观尺度优先流贮水、导水空隙结构三维分类定量化表征的技术问题。

（2）从黄土大孔隙结构模型中，提取了二维等效直径、形状因子、纵横比以及三维孔隙倾角等空间几何特征参数，从微细观层面上印证黄土是一种具有明显非均质和空间各向异性的多孔地质结构体，导水空隙表现出较强的垂向连通性，决定了垂向渗透性大于水平方向；确定出三维等效孔径、孔隙度与有效孔隙度、迂曲度、分形维数等是决定黄土渗流运动特征的关键因子。

（3）为了解决微细观空隙优先流运动观测技术问题，自主研发了“用于CT扫描的优先流动态观测装置及方法”，利用CT造影技术和数字图像相关技术（DIC），清晰无损地扫描黄土试样内部的孔隙变化情况与造影剂的渗流路径，有效揭示黄土中优先流运动的动态过程。①发现优先流不仅在现有连通大孔隙中运移，还以侵入逾渗的方式，“打通”孤立孔隙，形成更大的水分逾渗集团；②总结出水分入渗过程呈现“优先流-活塞流-优先活塞混合流-活塞流”的渗流演化模式；③证实了渗流对微细观孔隙结构具有改造作用，决定了渗流和外界压力下黄土空隙介质结构的可变性。

（4）通过逾渗理论和侵蚀膨胀算法计算出各类黄土的逾渗阈值，孔隙结构微细观尺度上逾渗阈值表现为马兰黄土（0.562%）>古土壤（0.611%）>离石黄土（3.202%），然而宏观上受土壤黏粒含量等的影响，古土壤的连通性差，渗透系数要小于离石黄土，表明古土壤渗流宏观和微细观的禀赋差异。

（5）基于孔隙网络模型计算了各样品的微细观渗透率和渗透系数，马兰黄土的绝对渗透率介于0.13μm²~7.81μm²，渗透系数介于1.28×10-4cm/s~7.65×10-3cm/s；离石黄土的绝对渗透率介于0.79μm²~6.82μm²，渗透系数介于7.74×10-4cm/s~6.68×10-3cm/s；古土壤的绝对渗透率介于0.02μm²~0.26μm²，渗透系数介于2.28×10-5cm/s~2.57×10-4cm/s。将微细观马兰黄土渗透系数与含裂隙马兰黄土的渗透系数与实测值进行对比，其值在同一个数量级上，说明宏观和微细尺度上渗透性无显著差异。

（6）通过对孔喉中流速进行分组统计，孔喉流速差异较大，其中有17.51%的孔喉流速为0，26.35%的孔喉导流速度介于2.63×10-14~6.22×10-7cm/s，该部分喉道为低渗孔喉；36.15%的孔喉速度在1.16×10-6~9.96×10-4cm/s，该部分孔喉与野外测定的宏观黄土渗透系数相当；21.99%的孔喉流速大于1.0×10-3cm/s，这部分孔喉为优先流通道，流态既有层流也有紊流。

（7）通过对不同雷诺数区间孔隙半径进行分组统计，发现在雷诺数Re<2300，即层流范围内最小孔喉半径为6.95μm，孔喉半径平均值为53.29μm；对于2300≤Re<4000的孔喉，最小半径为83.74μm，平均为207.31μm，该类尺寸的孔喉中流态不再为层流，开始向紊流过渡；Re≥4000的孔喉半径最小值为128.50μm，平均为250.45μm，该部分孔喉流态完全变成紊流。