岩体裂隙传导系数研究

本文采用流体力学方法研究了粗糙裂隙和充填裂隙的水流特性，证明了单一裂隙的有效隙宽小于平均隙宽，且依赖于平均隙宽的均方差。研究了充填裂隙接触面积对流态的影响，论证了一些经验公式的局限性和有效性，对各种单宽流量公式的偏差进行了分析。     

下凹形态裂隙面粗糙程度表征及立方定律修正系数拟合

裂隙面粗糙程度直接影响着裂隙的渗流特性,利用高倍数码相机采集孔隙介质模块粗糙裂隙面信息,结合数字成像和MATALB技术拟定典型粗糙度的裂隙面,提出描述试样裂隙面粗糙程度的下凹度,研究下凹度对裂隙过流能力的影响,确定下凹形态粗糙裂隙的立方定律修正系数公式。结果表明:预制混凝土块裂隙面的下凹面积百分比随下凹程度的增大逐渐减小,立方定律修正系数与相对下凹度呈二次多项式关系;采用等效水力隙宽比直接采用1.0 mm光滑裂隙的数值模拟成果更贴近双重介质渗流水力特性试验结果,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平方根R~2分别为1.35%、1.06×10~(-4)和0.995。下凹形态粗糙裂隙立方定律修正系数成果与试验结果吻合,该修正系数模型公式是合理的。提出的粗糙度表征方法和修正立方定律能够有效描述下凹形态粗糙裂隙渗流特性。     

基于分形理论的岩石裂隙非线性渗流各向异性研究

针对裂隙岩体非达西渗流问题,开展了不同粗糙裂隙非线性渗流特性的研究。将完整的方形岩块采用劈裂法制成裂隙试件,用三维光学扫描系统量测裂隙表面形貌,并采用Kulatilake提出的自仿射分形维度方法计算表面的分形维度来表征粗糙表面的各向异性特征。根据裂隙流的曲折效应,在Forchheimer定律基础上,提出了水文弯曲度和表面分形幂律关系来表征非线性特点,并由此提出了新的粗糙裂隙非线性分形模型。对各组裂隙试件在2个方向（0°,90°）上进行饱和渗流试验,发现流动符合Forchheimer定律且存在各向异性特点,最后由分形模型,提出了区分达西流与Forchheimer流的新判据。     

岩体单裂隙渗透性尺寸效应的数值模拟研究

针对渗透性尺寸效应涉及的影响因素众多、导致其演变规律及主控因素还不甚明了的问题,基于Comsol数值模拟软件,开展岩体单裂隙渗透性尺寸效应的数值模拟研究。建立开度服从正态分布的大尺寸岩体单裂隙模型(试样尺寸为5 m×5 m),在同一大尺寸试样上选取系列尺寸岩体单裂隙试样,并开展相应尺寸岩体单裂隙的渗透数值试验,观察岩体单裂隙渗透性随尺寸变化的演变规律。通过改变粗糙度、水力梯度和裂隙开度等参数,研究不同因素对岩体单裂隙渗透性尺寸效应的影响,确定其中的主控因素。数值模拟结果表明:岩体单裂隙的渗透性随试样尺寸的增大而增大,随后趋于一稳定值,其对应的试样尺寸即为临界尺寸;临界尺寸随粗糙度的增加、水力梯度的降低、裂隙开度的减小而增大;相较于粗糙度和水力梯度,裂隙开度对岩体单裂隙渗透性尺寸效应的影响更显著。     

Experimental study of the transition from non-Darcian to Darcy behavior for flow through a single fracture

Laboratory experiments are designed in this paper using single fractures made of cement and coarse sand for a series of hydraulic tests under the conditions of different fracture apertures, and for the simulation of the evolution of the flow pattern at places far from the outlet. The relationship between the hydraulic gradient and the flow velocity at different points, and the proportion evolution of the linear and nonlinear portions in the Forchheimer formula are then discussed. Three major conclusions are obtained. First, the non-Darcian flow exists in a single fracture in different laboratory tests. Better fitting accuracy is obtained by using the Forchheimer formula than by using the Darcy law. Second, the proportion of the Darcy flow increases with the increase of the observation scale. In places far enough, the Darcy flow prevails, and the critical velocity between the non-Darcian flow and the Darcy flow decreases as the fracture aperture increases. Third, when the fracture aperture increases, the critical Reynolds number between the non-Darcian flow and the Darcy flow decreases.     

Experimental study and modeling of hydromechanical behavior of concrete fracture

In this study, the hydromechanical behavior of a concrete fracture under coupled compressive and shear stresses was investigated. A special experimental device was designed to create a planar fracture in a cylindrical sample and to carry out different kinds of hydromechanical tests on the fracture. Four series of laboratory tests were performed on an ordinary concrete sample. Hydrostatic compression tests were first conducted to characterize the normal compressibility of the fracture. In the second series, direct shear tests were conducted on the fracture under different normal stresses. The maximal shear stress of the fracture was determined as a function of the normal stress. In the third series, fluid flow tests were carried out in view of characterizing the overall hydraulic conductivity of the fracture as a function of its opening and closure. Shear tests with a constant fluid pressure were finally performed to investigate the influence of fluid pressure on the deformation behavior of concrete fractures. Based on the experimental investigation, an elastoplastic model is proposed. This model takes into account the nonlinear elastic behavior of a fracture under normal compression and the plastic deformation and failure due to shear stress. The model was coupled with the classical Darcy's law to describe the fluid flow along the fracture by considering the variation of permeability with fracture aperture. Numerical results agree with experimental data from various laboratory tests.     

岩体中不同形式裂隙对渗流压力差损耗的影响

基于立方定律,推导出不同形式裂隙的流量计算公式,对常见的"人"字形分支裂隙、"T"字形分支裂隙及十字形交叉裂隙的流动规律进行理论和数值分析,认为流体在裂隙分支和交叉处的偏流及交汇作用产生的收缩及扩张效应是压力差耗损大于其他部位的主要原因。引入压力差损耗系数的概念,对公式进行无量纲化处理,得出影响压力差耗损系数的主要因素是雷诺数、裂隙偏转角度及隙宽比。对压力差损耗系数的变化规律进行分析,结果表明:雷诺数的大小与消耗在裂隙分支或交叉处的压力成正比;裂隙偏转角度的增加在一定程度上可以减小压力差的损耗;"人"字形和"T"字形裂隙隙宽比增大,会使流体经过分支或交叉处产生的压力差损耗减小,但由于"十"字形交叉裂隙中同时存在交汇和偏流作用,其结果与上述情况相反。     

光滑裂隙水流模型实验及其机理初探

本文通过裂隙水室内模型实验研究，将理论值与实验作了对比分析，阐述了立方定律的适用范围。同时，对微裂隙水流运动亦进行了初步研究，在实验的基础上，通过机理实验研究的总结，得出了微裂隙水运动不完全属于牛顿流体运动的初步结论，在紊流实验的基础上提出了一个半经验公式。经比较，与实测结果较为一致。     

不同节理粗糙度系数的裂隙渗流规律研究

裂隙的研究对石油开采、水利工程以及地下空间的利用都具有重要的意义。真实裂隙表面粗糙的几何形态会影响流体的流动特性及裂隙的传导能力,立方体定律难以满足使用条件。根据节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,采用逆向数字化建模方法,开展仿真模拟不同JRC裂隙渗流规律的研究。结果表明:作用在不同粗糙度裂隙两端的压差恒定时,随着节理粗糙度的增加裂隙内流体的流量逐渐减小;流入不同粗糙度裂隙单位体积流量恒定时,随着粗糙度的增加,作用在裂隙两端的压差逐渐增大;模拟结果与实验结果相对比,得出裂隙机械宽度与流量之间的关系曲线表现出明显的非线性特征,两条趋势线相吻合,均符合对数关系。     

页岩水力压裂裂缝起裂和扩展断裂力学模型

结合大尺寸真三轴水平井水力压裂物理模拟试验,对龙马溪组页岩的起裂、扩展以及扩展过程中水力裂缝与天然裂缝的相互作用进行了详细的力学分析,并基于断裂力学和流体力学理论知识,建立了水力裂缝起裂和扩展力学模型,推导了相应的断裂力学判据。结果表明:①起裂方式可以分为3类,即页岩本体张性起裂、沿天然裂缝(层理面)的剪切起裂、沿天然裂缝(层理面)的张拉起裂;②水力裂缝扩展过程中,随着裂缝长度的增加,泵压逐渐减小,最终趋于一个略大于最小水平主应力的稳定值;③水力裂缝与天然裂缝的相互作用类型可根据天然裂缝是否开启分为以下5类,即剪切天然裂缝后穿过、直接穿过天然裂缝、从天然裂缝一端穿过、同时从天然裂缝两端穿过、从某一弱面穿过。研究结果可为页岩气藏水平井压裂开采提供有力技术支持。     

气孔构造岩石裂隙渗透特性研究

岩石光滑裂隙的渗透规律可用立方定理描述,而气孔构造岩石裂隙的渗透性却因裂隙面气孔的存在表现不同渗透规律及机理,值得深入研究。首先在海口市的火山岩地区选取了4种气孔分布有显著差异的玄武岩样品,测量其气孔特征参数后进行单裂隙渗透试验,然后引入裂隙面构造影响因子λ对试验结果做变换整理,获得了气孔构造裂隙渗透规律,最后通过数值分析,在印证室内试验所得规律合理的基础上,阐述了气孔构造对裂隙渗透性影响机理。研究结果表明:气孔构造的存在对裂隙渗流有显著影响,雷诺数较低(Re<200)时,气孔构造的存在可增加裂隙渗流流量;雷诺数较高(Re>200)时,气孔构造的存在可降低渗流流量;裂隙面构造影响因子λ与渗流雷诺数Re在一定范围内呈负指数相关。研究成果可供探明气孔构造岩石地区渗透特性时参考。     

裂隙网络非达西渗流REV及非达西系数张量研究

裂隙网络渗流理论最初建立在裂隙渗流服从立方定律的基础上,而裂隙中非达西渗流更为广泛存在,因此,裂隙网络非达西渗流特性研究更具工程应用前景。本文首先对基于单裂隙立方定律的线素法模型进行改进,用以实现裂隙网络非达西渗流的计算,进而将其应用于实测裂隙数据生成的裂隙网络非达西渗流特性的研究。研究结果表明:根据改进线素法模型和Forchheimer定律计算得到的等效渗透系数张量与线素法模型和达西定律计算得到的具有一致性。对于同一裂隙网络而言,等效非达西系数张量确定的渗流REV要比等效渗透系数张量确定的大,且等效渗透系数张量与等效非达西系数张量的主轴方向一致,但两者之间的长轴互相垂直。     

岩体裂隙内稳定水泥浆液扩散范围的理论分析

根据粗糙裂隙的等效水力开度与力学开度的关系,导出了计算粗糙裂隙内流体扩散范围的修正系数;然后建立了宾汉浆体在光滑裂隙内的辐射流运动方程,求解得到预测稳定水泥浆液最大扩散距离的解析公式;该公式经给定的修正系数修正后可应用于粗糙岩体裂隙。研究结果表明,现有求解岩体裂隙内浆液扩散半径的理论公式中,裂隙的开度值应取粗糙裂隙的等效水力开度,且预测公式应该用一个小于1的系数修正。     

FORMULAE FOR AVERAGE VELOCITY OF GROUNDWATER FLOW AND EXPERIMENTAL EVIDENCE OF NON-DARCY' S FLOW THROUGH A SINGLE FRACTURE

The formulae for average velocity of groundw-ater flow in a single fracture were derived based on the characteristics of fracture properties and hydraulic methods. The results show that the average velocity is proportional to the square root of the hydraulic gradient. In order to verify the results, a laboratory model was established, and the experimental data were analyzed. Experimental results indicate that the relation between the average velocity and hydraulic gradient is nonlinear, and can be fitted with power functions. And for both the unconfined and confined flows, the value of the exponent of power functions are close to 0. 5. Thus the experimental results agree well with those from the theoretical analysis. By comparing the calculated and measured values of the average velocity under the same conditions, the formulae presented herein are more effective than the traditional formula based on Darcy's Law. These results provide the evidences of non-Dar-cy's flow in single fracture.     

MODEL EXPERIMENT RESEARCH ON CROSS FRACTURE FLOW

This paper gives emphasis on the research of the problem of local head loss of cross fracture flow by a lot of model experiments,and a theoretical model of local head loss of cross fracture flow is founded by use of the momentum law of water flow.Through the correlation analysis between model experimental results and theoretical model,the correction coefficient of theoretical model is definite.The proposed calculation formula of local head loss of cross fracture flow can be used to analyze the problem of network fracture seepage.     

裂隙岩体渗流耦合数值分析方法及其工程应用

针对岩体中主干裂隙和网络状裂隙提出了耦合渗流数值模型模拟分析岩体地下水三维渗流的方法。使用离散介质渗流模型描述岩体主干裂隙中的水运动，使用连续介质渗流模型描述网络状裂隙中水运动。连续介质充满整个研究域，离散介质按主干裂隙的实际空间分布嵌入连续介质中，并依据裂隙壁水力条件耦合两者。该方法逐个计算主干裂隙的渗流，充分体现主干裂隙的特殊水力作用；同时又避免了逐个计算网络状裂隙中的渗流所带来的困难，可以在较大尺度上分析渗流，便于工程应用。理论例子显示它能比较客观地反映裂隙岩体的渗流特性。该方法被应用到乌江构皮滩水利枢纽岩体渗流的分析中。     

硫酸盐侵蚀作用下水泥砂浆水力劈裂特性

为研究硫酸盐侵蚀作用下水泥砂浆水力劈裂特性,利用三场耦合试验系统,设计4种试验工况进行水力劈裂试验,分析不同pH值的硫酸盐溶液、不同侵蚀时间下水泥砂浆力学性能和抗水力劈裂能力。试验结果表明,不同pH值的硫酸盐溶液对水泥砂浆的水力劈裂力学特性有不同影响,在侵蚀后期,对于0.1 mol/L的Na_2SO_4溶液,pH值分别为7、3、1时,对砂浆试样水力劈裂力学特性的侵蚀劣化程度逐渐减小;硫酸盐侵蚀下的水泥砂浆抗水力劈裂能力和侵蚀时间有较好的三次函数相关关系。     

岩体裂隙网络非线性渗流分析

裂隙中水流为紊流状态时，流量与水力坡度呈非线性关系，不再满足线性的立方定律，以岩体裂隙网络中结点的水量平衡来建立岩体裂缝网络非线性渗流控制方程式，提出矩阵求解方法和迭代运算步骤，并给出应用算例与验证。算例结果表明，不能采用岩体裂隙网络线性渗流规律来代替岩体裂隙网络非线性渗流规律。     

单裂隙渗流有限元数值仿真研究

根据蠕动流方程和Navier-Stokes方程,建立了单裂隙微凸体粗糙裂隙几何物理模型,并采用有限元方法对单裂隙微凸体粗糙裂隙及真实地层裂隙进行仿真模拟,研究了流体在通过上述裂隙时流速场分布及流速特性。规定了两个描述粗糙程度的参数：粗糙相关度R0=2A/bmin,粗糙倾斜指数R1=2A/λ。分析表明,单裂隙壁面处流体不参与流动,粘滞力影响较大;粗糙裂隙流场沿壁面成扇形分布,会产生＂回流＂现象。微凸体高度及密度可表征裂隙表面粗糙程度,微凸体高度与流体压差呈负相关,微凸体密度与流体压差呈正相关,R0和R1都与雷诺数及流量成反比关系,R1的临界值为0.714。     

考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析

基于蒙特卡罗法,引入裂隙迹线长度和开度的相关性函数,提出了一个改进的随机裂隙网络生成算法。利用MATLAB平台编制程序,实现二维裂隙网络的生成,通过与布尔模拟生成的真实裂隙场的比较,验证了改进算法的有效性和程序的正确性。然后借助离散裂隙网络渗流模型对生成的裂隙网络进行渗流分析。分别在考虑迹长开度相关性和不考虑二者相关性的条件下,计算了随机裂隙网络的渗流场,给出了下游边界出口裂隙流量分布和裂隙网络内部水压力的分布。计算结果表明,考虑裂隙迹线长度和开度的相关性能很好地反映裂隙网络渗流的结构特征,从而证明了所提方法的合理性。该模型是对随机裂隙网络模型的有效补充,可为岩体工程渗控分析提供理论基础和数值计算工具。