《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：3D fracture network and anisotropic permeability in Cenozoic red-bed mudstone under freeze-thaw cycles: A case of the northeastern Tibetan Plateau
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本研究针对寒区高原红层泥岩在冻融(F-T)循环作用下裂隙发育规律与渗透特性不清的关键问题，通过CT扫描和格子玻尔兹曼方法(LBM)系统揭示了三维裂隙网络的各向异性扩展规律及饱和/非饱和渗透性演化机制。研究发现冻融作用促使裂隙呈Y型连接形成不规则六边形网格，垂直方向渗透性显著增强，为非饱和渗流理论和地质灾害防治提供了重要理论依据。
在全球气候变化背景下，寒区高原工程地质问题日益凸显。作为典型灾变岩层，新生代红层泥岩在冻融循环作用下的力学特性劣化与渗透性变化，直接控制着滑坡等地质灾害的发育规律。然而，传统研究多局限于二维表面裂隙观测，对三维裂隙网络扩展机制及其对渗流场的影响规律认知不足，特别是非饱和状态下渗透各向异性演化规律尚不明确。
为破解这一难题，发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》的最新研究，以青藏高原东北部贵德盆地红层泥岩为研究对象，创新性地融合工业CT扫描与多弛豫时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)，首次实现了冻融过程中三维裂隙网络量化表征与非饱和渗流耦合模拟。研究团队通过设计-15°C至15°C的极端温度循环实验，模拟高原季冻区实际工况，利用高精度CT系统(体素分辨率51μm)捕获0、3、6、12次冻融循环后样本内部结构变化。在数值模拟方面，采用改进的伪势模型，成功实现了气液密度比724:1、运动粘度比1:15的高精度多相流模拟，突破了传统LBM模型在模拟岩土材料中空气-水体系时的局限性。
在裂隙形态观测方面，研究通过对比传统阈值分割与创新的分水岭-顶帽组合算法发现，后者能有效识别次级裂隙并保持网络连通性。三维重构结果显示：初始水化膨胀裂隙多呈T型连接，而冻融裂隙则演化为Y型交汇，形成不规则六边形网格模式。值得关注的是，裂隙在垂直方向呈现明显的定向扩展特征，约55%的裂隙倾角集中于70°-90°区间。
通过三维定量参数体系（裂隙交线长度、角点数量等）的统计分析表明：随冻融循环次数增加，裂隙交线长度概率分布向0-2.5mm区间集中，单个裂隙面积则呈现小尺度化趋势。冻融后期（6-12次循环），裂隙网络复杂度通过交线长度和角点数量的持续增长体现，而非新裂隙的产生，表明网络连通性增强成为后期演化主要特征。
在渗透性研究方面，基于代表性子体积(REV)的LBM模拟揭示了关键规律：饱和渗透率随冻融循环呈近线性增长，渗透增强因子α从3次循环的2.5升至12次循环的5.8。非饱和渗透性在饱和度低于0.4时变化微弱，超过此阈值后急剧上升。各向异性分析表明，冻融后垂直渗透率(Kv)显著高于水平方向(Kh)，饱和状态下各向异性比Kv/Kh最高达3.2（3次循环），但随着循环次数增加和裂隙网络连通性提升，各向异性程度逐渐减弱。
针对冻胀裂隙形成机制，研究提出水迁移主导理论：在单向冻结条件下，孔隙水向冻结锋面迁移产生负压，引发垂直于等温面的张应力，当超过泥岩抗拉强度时形成垂直裂隙。这些裂隙又为水平冰透镜体发育提供通道，进而促进后期水平裂隙的形成。这种耦合作用最终导致裂隙网络呈现平面六边形网格与垂直主导的三维空间构型。
该研究的重要意义在于：首次建立了寒区红层泥岩冻融损伤与渗流特性演化的定量关联，揭示了非饱和状态下渗透各向异性随裂隙网络连通性变化的规律。所提出的三维裂隙量化方法为岩体损伤评估提供了新范式，改进的LBM模型为多相渗流研究提供了可靠工具。研究成果对高原重大工程稳定性评价、地质灾害预警防治具有重要指导价值，同时为全球类似气候条件下的红层岩体水-力耦合行为研究提供了理论框架。
