亀裂接触部の破壊を考慮した岩盤のマルチスケール水理物質移行特性の評価

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亀裂性岩盤の熱・水・応力・化学(THMC)連成特性の評価は岩盤工学・資源工学分野に関わる諸問題を解決するための重要な科学問題の一つである。本研究では主に亀裂ネットワークの水理物質移行特性を考察するため、亀裂の交差点を有する実験モデルを用いた透水試験とそれに関する数値解析を行った。亀裂ネットワーク内に存在する亀裂の交差部で渦の形成や物質交換のような現象が発生し、ネットワーク全体の水理物質移行特性を大きく影響する。本研究ではガラス板を割ることで、様々な形状や交差角、ラフネスを有する亀裂モデルを作成し透水試験を行った。併せて、染色した溶液を用いた画像撮影およびナビエ・ストークス方程式を解くことによる数値解析を行った。その結果、交差部の開口幅や形状が透水特性に大きく影響を与えるが、交差角が特に影響しないことが分かった。交差部と繋がる各亀裂内へ流れる物質の量は交差部の幾何学特性以外に、動水勾配とも強く関係していることが分かった。レイノルズ数が大きくなった場合に、交差部で渦の形成のような非線形的な流れが発生し、物質交換に大きく影響することが画像解析から判明した。次に、亀裂ネットワーク内の亀裂の開口幅、ラフネス、交差点の数を変化させたパラメータスタディを行うことで、Forchheimerの式を亀裂ネットワークモデルへの適用性を検証し、その係数の推算式を提案した。解析の結果から得られた流量と動水勾配の関係はForchheimerの式とよく合致することが確認できた。また、亀裂の開口幅は亀裂ネットワークの透水係数に最も大きな影響を与え、その次に交差点の数とラフネスの順になることが分かった。提案した推算式を用いることで、亀裂ネットワークの線形および非線形的な透水特性を精度よく予測することが可能となった。