›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (6): 1581-1590.doi: 10.16285/j.rsm.2015.06.008

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

交叉裂隙水力学开度的计算及非线性水力特性研究

刘日成1,蒋宇静1, 2,李树忱1, 3,李 博1,王肖珊1   

  1. 1. 日本长崎大学 工学部地盘环境研究室,日本 长崎 8528521;2. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点试验室培育基地,山东 青岛 266510;3. 山东大学 岩土与结构工程研究中心,山东 济南 250061
  • 收稿日期:2014-07-23 出版日期:2015-06-11 发布日期:2018-06-14
  • 通讯作者: 蒋宇静,男,1962年生,博士,教授,博导,主要从事岩石力学方面的教学工作。E-mail: jiang@nagasaki-u.ac.jp E-mail:my1122002006@126.com
  • 作者简介:刘日成,男,1986年生,博士研究生,从事岩体裂隙网络渗流特性研究
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(No. 51379117);日本学术振兴会青年基金B(No. 15K18302);青年科学基金(No. 51109209)。

Study of nonlinear hydraulic characteristics and hydraulic aperture calculation of crossed fracture

LIU Ri-cheng1,JIANG Yu-jing1, 2,LI Shu-chen1, 3,LI Bo1,WANG Xiao-shan1   

  1. 1. Geo-environmental Laboratory, Graduate School of Engineering, Nagasaki University, Nagasaki 8528521, Japan; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China; 3. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan, Shandong 250061, China
  • Received:2014-07-23 Online:2015-06-11 Published:2018-06-14

摘要: 基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,得到了不同进口与出口组合时的流量和压力变化的关系曲线。同时结合串联裂隙水力学开度的计算公式,利用最小二乘法求解超静定方程组,计算交叉裂隙中每个裂隙单元的水力学开度。通过拓扑得到裂隙交叉点的几何尺寸,并求解Navier-Stokes方程,研究裂隙交叉对其水力特性的影响。结果表明,通过室内试验和串联裂隙水力学开度计算公式相结合的方法,可以准确计算每个裂隙单元的水力学开度。当雷诺数Re较小时,交叉点内部的流体成稳态层流流动;当雷诺数较大(比如Re≥100)时,可以观测到明显的漩涡,说明流体的惯性力远大于黏性力,经典的立方定律不再适用。对于1个进口2个出口的情况,出口的流量分配比率与雷诺数成二次函数关系,随着雷诺数的增大,流量分配比率的非线性越来越明显,其最大分配比率变化超过15%。出口的水力学开度e与初始水力学开度(即力学开度E0)的比值e/E0和雷诺数Re也具有二次函数关系。当Re10时,e/E0呈现出较强的非线性;利用该关系式可以得到修正的立方定律,从而进一步求解交叉裂隙的水力特性问题。

关键词: 交叉裂隙, 水力特性, Navier-Stokes方程, 水力开度, 力学开度

Abstract: Fluid flow tests are conducted on an artificial crossed fracture model. The relations between flux and pressure are obtained under different combinations of inlets and outlets. For these connected fractures, indeterminate equations are utilized to calculate the hydraulic aperture of each fracture element with the least squares method. The geometry of the fracture intersection is reproduced with topology method. The effect of fracture intersection on hydraulic characteristics is researched by solving Navier-Stokes equations. The results show that the fracture aperture for each fracture element can be accurately calculated based on flow test results and equations of hydraulic aperture. Within the fracture intersection, static flow and vortexes are observed respectively at lower Reynolds numbers and higher Reynolds numbers(Re≥100). It is shown that the inertial force is far larger than the viscous force and the cubic law is no longer applicative. For the cases with one inlet and two outlets, the normalized flow rate exhibits a quadratic relationship with the Reynolds number, especially when Reynolds number is large. The flow rate difference between the two outlets can be as much as 15%. The ratio of hydraulic aperture e to mechanical aperture E0, i.e. e/E0, varies with the increase of Reynolds number at the inlet. The value of e/E0 shows linear, little nonlinear and strong nonlinear relations respectively when Re10. A nonlinear modified cubic law is obtained with the relation between e/E0 and Re. This modified cubic law can be utilized to solve the nonlinear hydraulic characteristics caused by fracture intersections.

Key words: crossed fracture, hydraulic characteristics, Navier-Stokes equation, hydraulic aperture, mechanical aperture

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