›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (10): 2817-2824.doi: 10.16285/j.rsm.2016.10.011

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

岩体裂隙网络非线性渗流特性研究

刘日成1, 2,蒋宇静2, 3,李 博4,蔚立元1,杜 岩5   

  1. 1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116;2. 长崎大学 工学研究科,日本 长崎 8528521; 3. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东 青岛 266590;4. 绍兴文理学院 土木工程学院,浙江 绍兴 312000; 5. 北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083
  • 收稿日期:2014-11-13 出版日期:2016-10-11 发布日期:2018-06-09
  • 通讯作者: 蔚立元,男,1982年生,博士,副教授,硕导,主要从事岩石力学方面的科研和教学工作。E-mail: yuliyuan@cumt.edu.cn E-mail:my1122002006@126.com
  • 作者简介:刘日成,男,1986年生,助理研究员,主要从事岩体裂隙网络渗流特性研究。
  • 基金资助:

    国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036003);国家自然科学基金(No. 51379117, No. 51579239, No. 41427802)。

Nonlinear seepage behaviors of fluid in fracture networks

LIU Ri-cheng1, 2, JIANG Yu-jing2, 3, LI Bo4, YU Li-yuan1, DU Yan5   

  1. 1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 2. Graduate School of Engineering, Nagasaki University, Nagasaki 8528521, Japan; 3. 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 266590, China; 4. College of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000, China; 5. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China
  • Received:2014-11-13 Online:2016-10-11 Published:2018-06-09
  • Supported by:

    This work was supported by the National Basic Research Project of China (973 Program) (2013CB36003) and the National Natural Science Foundation of China (51379117, 51579239, 41427802).

摘要: 基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件(CCD)照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络(DFN)模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes(简称N-S)方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时(比如J > 0.1),通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时(比如J < 10-4),Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J ≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。

关键词: 离散裂隙网络, 非线性渗流, Navier-Stokes方程, 局部立方定律

Abstract: Fluid flow tests are conducted on an artificial model constituted by two crossed fractures with an intersecting angle of 90°. The nonlinear fluid flow patterns within the fracture intersection are observed by using the visualization technique with a charge-coupled device (CCD) camera. Two discrete fracture network (DFN) models are established with and without considering the fracture surface roughness, respectively. The nonlinear flow behaviors of fluid in these two DFN models are characterized by directly solving the Navier-Stokes equations under two kinds of boundary conditions. Experimental results show that the obvious nonlinear flow behaviors in the segment connected to outlet_3 are observed, and measurements also exhibit a nonlinear correlation between the flow rate Q and pressure P. Numerical results demonstrate that, when the hydraulic gradient J is to some extent high (i.e., J > 0.1), the flow rate Q through the DFN is nonlinearly related to the pressure P between two opposite boundaries. However, when J is relatively low (i.e., J < 10-4), Q is linearly proportional to P. Based on these two DFN models in the current study, the critical condition of applying the local cubic law to calculate fluid flow in every fracture in the DFNs is J ≤10-4. The fracture surface roughness can significantly influence the permeability of the DFNs, however, it has negligible influences on the relative flow rate errors.

Key words: discrete fracture network, nonlinear seepage, Navier-Stokes equations, local cubic law

中图分类号: 

  • TU 411

[1] 胡训健, 卞康, 刘建, 谢正勇, 陈明, 李冰洋, 岑越, . 离散裂隙网络对岩石力学性质和声发射特性 影响的颗粒流分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 542-552.
[2] 李博, 黄嘉伦, 钟振, 邹良超, . 三维交叉裂隙渗流传质特性数值模拟[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3670-3768.
[3] 尹 乾, 靖洪文, 刘日成, 苏海健, 蔚立元, 王迎超. 不同侧压力系数下裂隙网络岩体非线性渗流特性[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 592-600.
[4] 杨 斌,徐曾和,杨天鸿,杨 鑫,师文豪, . 高水力梯度条件下颗粒堆积型多孔介质渗流规律试验研究[J]. , 2018, 39(11): 4017-4024.
[5] 李文亮,周佳庆,贺香兰,陈益峰,周创兵, . 不同围压下破碎花岗岩非线性渗流特性试验研究[J]. , 2017, 38(S1): 140-150.
[6] 刘 波,金爱兵,高永涛,肖 术, . 基于分形几何理论的DFN模型构建方法研究[J]. , 2016, 37(S1): 625-630.
[7] 刘日成,李 博,蒋宇静,蔚立元,. 等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响[J]. , 2016, 37(11): 3165-3174.
[8] 刘日成 ,蒋宇静 ,李 博 ,王肖珊 ,徐帮树 ,蔚立元,. 基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法的岩体裂隙网络渗流特性研究[J]. , 2016, 37(1): 219-228.
[9] 刘日成 ,蒋宇静 ,李树忱 ,李 博 ,王肖珊,. 交叉裂隙水力学开度的计算及非线性水力特性研究[J]. , 2015, 36(6): 1581-1590.
[10] 刘日成 ,蒋宇静 ,李 博 ,王肖珊 ,徐帮树,. 岩体裂隙网络等效渗透系数方向性的数值计算[J]. , 2014, 35(8): 2394-2400.
[11] 王培涛 ,杨天鸿 ,于庆磊 ,刘洪磊 ,夏 冬 ,张鹏海 , . 基于离散裂隙网络模型的节理岩体渗透张量及特性分析[J]. , 2013, 34(S2): 448-454.
[12] 徐 轩 ,杨正明 ,刘学伟 ,张亚蒲 ,田姗姗 ,徐 婷 . 特低渗透大型露头模型流场测量技术及分布规律研究[J]. , 2012, 33(11): 3331-3337.
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[1] 魏龙海,王明年,赵东平,吉艳雷. 翔安海底公路隧道陆域段变形控制措施研究[J]. , 2010, 31(2): 577 -581 .
[2] 陈 宇,张庆贺,朱继文,姚海明. 双圆盾构穿越下立交结构的流-固耦合数值模拟[J]. , 2010, 31(6): 1950 -1955 .
[3] 顾绍付,刘仰韶,刘仕顺. Asaoka法推算软基沉降偏差的修正方法探讨[J]. , 2010, 31(7): 2238 -2240 .
[4] 高树生,钱根宝,王 彬,杨作明,刘华勋. 新疆火山岩双重介质气藏供排气机理数值模拟研究[J]. , 2011, 32(1): 276 -280 .
[5] 宋勇军,胡 伟,王德胜,周军林. 基于修正剑桥模型的挤密桩挤土效应分析[J]. , 2011, 32(3): 811 -814 .
[6] 孙德安,孟德林,孙文静,刘月妙. 两种膨润土的土-水特征曲线[J]. , 2011, 32(4): 973 -0978 .
[7] 魏明尧,王恩元,刘晓斐,王 超. 深部煤层卸压爆破防治冲击地压效果的数值模拟研究[J]. , 2011, 32(8): 2539 -2543 .
[8] 褚福永 ,朱俊高 ,贾 华 ,安淑红. 粗粒土卸载-再加载力学特性试验研究[J]. , 2012, 33(4): 1061 -1066 .
[9] 卢 强,王占江,李 进,郭志昀,门朝举. 球面波加载下黄土线黏弹性本构关系[J]. , 2012, 33(11): 3292 -3298 .
[10] 王 苏,路德春,杜修力. 地下结构地震破坏静-动力耦合模拟研究[J]. , 2012, 33(11): 3483 -3488 .