单排水孔轴对称填充流场解析解

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。