单排水孔轴对称填充流场解析解

摘要

工程中通常布置排水孔以降低岩体内部渗流压力。在运行过程中，充填物堵塞排水孔会限制排水能力，威胁工程安全。目前，对于填充排水孔的分析，主要考虑非填充区域的纯流体运动，却鲜有同时考虑填充区域和非填充区域的水流运动。鉴于此，建立自由流–渗流耦合理论模型，分析岩体内轴对称填充排水孔的流速分布，该理论模型中，排水孔中非填充区域纯水流运动遵循Navier-Stokes方程，填充介质中渗流运动可由Darcy-Brinkman方程描述；结合速度连续和应力跳跃的界面边界条件，推导出流场流速分布和泄流量解析解；流速理论解与4阶Runge-Kutta方法数值解结果吻合良好。参数敏感性分析结果表明：流场流速与达西数和空隙相对开度呈正相关，与黏度比和应力跳跃系数呈负相关；当应力跳跃系数小于0时，上述参数变化对流速分布的影响更为显著，此时黏度比对模型计算结果的影响不能忽略。随着空隙相对开度增加，当达西数等于1时，界面速度逐渐减小；当达西数等于0.1时，界面速度先增大后减小；当达西数小于0.1时，界面速度逐渐增大。研究成果可为部分堵塞排水孔泄流能力计算提供理论依据，对于完善和发展排水孔自由流–渗流耦合理论具有重要意义，可为后续排水孔加压清淤提供参考。

关键词

轴对称填充排水孔 / 自由流–渗流耦合模型 / 流场解析解 / 应力跳跃系数

基金资助

国家自然科学基金项目（42107172;41772321）; 四川省科技计划项目（2020YFS0361）; 中央高校经费资助（2021SCU12035）