位于晋陕蒙接壤地带的砒砂岩区水土流失问题十分严重,是入黄粗泥沙来源的核心区。导致严重水土流失的主要原因是砒砂岩特殊的岩性。砒砂岩俗称“五花肉”,呈层状结构,主要由白色的砂岩、砂页岩和红色泥质砂岩组成,由于成岩程度低、颗粒间胶结程度差、蒙脱石含量高,遇水易膨胀崩解泥化。以崩塌为主要形式的块体状重力侵蚀现象十分突出,其发生具有突然性,产生的侵蚀量和破坏性较大,是侵蚀产沙的主要来源。块体状重力侵蚀发生部位主要是强度和稳定性相对较高的白色砒砂岩层。发生块体状重力侵蚀的主要原因是白色砒砂岩中存在竖向裂隙,成为水流通道,在水流侵蚀作用下,裂隙不断下切,使临坡面砒砂岩与母体分离。在水流、冻融等作用下,下部红色砒砂岩层加速侵蚀,使上部砒砂岩逐渐丧失支撑,达到一定极限状态时即发生崩塌。通过注浆充填白色砒砂岩层竖向裂隙、封堵水流通道是治理砒砂岩块体状重力侵蚀的重要途径之一。然而传统注浆材料多以水作为溶剂或主要成份,会破坏砒砂岩结构,难以达到治理效果。针对这一问题,基于无水注浆理念,拟把非水反应高聚物注浆材料引入块体状重力侵蚀治理。因此,掌握高聚物浆液在砒砂岩垂直裂隙中的运移机制对于注浆施工具有重要指导意义。为此,本文采取模型试验和仿真分析相结合的方式研究高聚物浆液在垂直裂隙中的扩散规律。主要开展的工作如下:(1)设计制作了高聚物浆液垂直裂隙注浆模型试验装置,该试验装置由可视化竖向裂隙试验台、高聚物注浆系统、压力监测系统等组成,实现浆液扩散过程的可视化观测,为开展高聚物垂直裂隙注浆模型试验奠定了基础。(2)开展了不同注浆量下高聚物垂直裂隙注浆模型试验,研究了高聚物浆液在垂直裂隙中的扩散规律。试验结果表明:在设计的试验条件下,高聚物浆液在垂直裂隙中的扩散形态近似呈现为半圆形,浆液扩散范围随着注浆量的增大而增大,浆液扩散形态和范围以注浆孔所在垂直线为中心基本呈对称分布;浆液沿水平方向的扩散距离大于垂直方向的距离,注浆量越大,水平方向的扩散距离也越大;高聚物浆液在0s～30s时间段内扩散速率最快,在30s～40s时间段内的扩散速率逐渐变慢,到40s左右扩散逐渐停止。相应的浆液压力在0s～30s时间段内压力急剧增大,30s～40s时间段内压力持续上升,但是增加趋势减缓,在40s左右时压力基本能达到最高值,之后的压力趋于不变或者缓慢降低;浆液压力最大值始终位于注浆孔附近。注浆量越大,高聚物的化学反应中释放的热量也越多,温度越高。不同工况下高聚物浆液的密度变化趋势基本一致,均呈负指数规律变化,浆液固化后的最终密度较为接近。(3)基于有限体积法(FVM)和VOF原理建立高聚物浆液在垂直裂隙中流动扩散仿真模型,结合试验数据对数值模型进行了测试,结果显示计算得到不同时刻浆液扩散形态和范围与试验结果基本吻合,证明了仿真模型的适用性;在此基础上对不同工况下高聚物浆液在垂直裂隙中的扩散过程进行了模拟分析,分析了不同条件下浆液在裂隙中扩散形态和扩散范围的发展变化规律,探明浆液扩散过程中流场分布特征,并对比分析了考虑重力和不考虑重力条件下高聚物浆液在垂直裂隙中的扩散情况,结果表明,考虑重力作用情况下浆液在水平方向的扩散距离大于不考虑重力作用下的扩散距离,而沿垂直方向的扩散情况则相反。本文成果揭示了高聚物浆液在垂直裂隙中的扩散特性,为研发砒砂岩垂直裂隙高聚物注浆技术提供了理论参考,对于治理砒砂岩块体状重力侵蚀、减少黄河中游水土流失和粗泥沙入黄具有积极意义。