›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (4): 1203-1210.doi: 10.16285/j.rsm.2017.04.035

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基于格子Boltzmann方法的岩体单裂隙面渗流特性研究

王志良1,申林方1,李邵军2,徐则民1   

  1. 1. 昆明理工大学 建筑工程学院,云南 昆明 650500;2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071
  • 收稿日期:2015-05-18 出版日期:2017-04-11 发布日期:2018-06-05
  • 作者简介:王志良,男,1982年生,博士,副教授,主要从事岩土工程渗流方面的研究工作
  • 基金资助:

    国家自然科学基金资助(No. 51408284,No. 51508253,No. U1502231);云南省应用基础研究计划项目(No. 2016FB077)。

Seepage characteristics of a single fracture based on lattice Boltzmann method

WANG Zhi-liang1, SHEN Lin-fang1, LI Shao-jun2, XU Ze-min1   

  1. 1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650500, China; 2. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China
  • Received:2015-05-18 Online:2017-04-11 Published:2018-06-05
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51408284, 51508253, U1502231) and the Yunnan Applied Basic Research Project (2016FB077).

摘要: 为了研究层流状态下粗糙单裂隙面的渗流特性,基于格子Boltzmann方法,建立了压力作用下单裂隙面渗流的数值模型。采用D2Q9模型模拟离散速度分布方向,在宏观尺度上,上、下边界设置为不透水边界(ux =uy =0),左、右边界为压力边界(左侧压力pin大于右侧压力pout);在微观尺度上,左、右边界及光滑裂隙表面采用非平衡态外推格式,粗糙裂隙表面采用标准反弹格式。编制了相应的计算程序,验证了光滑平板裂隙流的立方定律。采用分段随机裂隙长及裂隙宽的方法生成了粗糙裂隙面,并基于格子Boltzmann方法研究了不同粗糙裂隙面方案的渗流特性。研究结果表明:对于粗糙裂隙面,渗流特征极大程度取决于裂隙表面形貌,随着相对粗糙度的增加,裂隙渗流规律明显偏离立方定律。为此,考虑裂隙面相对粗糙度的影响,根据不同裂隙粗糙面方案的数值计算结果,提出了层流状态下粗糙裂隙面渗流的立方定律修正公式,为系统研究复杂粗糙裂隙的水力特性奠定了一定的基础。

关键词: 格子Boltzmann方法, 单裂隙面, 渗流特性, 数值模拟

Abstract: To investigate seepage characteristics of a single rough fracture, based on lattice Boltzmann method, a numerical model is established to analyze the water flow in laminar under pressure. The D2Q9 model is applied to simulate the discrete velocity direction. On the macroscopic-scale, the upper and lower boundaries (ux =uy =0) are assumed to be impermeable, and the left and right boundaries are controlled by pressure (i.e., the pressure on the left side is larger than that on the right side). On the microscopic-scale, the non-equilibrium extrapolation scheme is set on the pressure boundary and smooth fracture surface boundary, and the standard bounce-back scheme is set on the rough fracture surface boundary. The corresponding program is compiled to verify the classical cubic law of smooth plate fracture flow. The rough fracture surface is generated by setting piecewise random length and random width, and seepage characteristics of different rough fracture surfaces are discussed in detail. The results show that fracture surface roughness greatly affects seepage characteristics. With the increase of relative roughness, the deviation from cubic law becomes more obvious. Therefore, by considering the effect of relative fracture surface roughness, the modified cubic law is proposed according to numerical results of different schemes of rough fracture surface. This study lays the foundation for further research on the complex hydraulic characteristics of rough fracture.

Key words: lattice Boltzmann method, single fracture, seepage characteristics, numerical simulation

中图分类号: 

  • O 357.3

[1] 王珂, 盛金昌, 郜会彩, 田晓丹, 詹美礼, 罗玉龙, . 应力−渗流侵蚀耦合作用下粗糙裂隙渗流特性研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 30-40.
[2] 毛浩宇, 徐奴文, 李彪, 樊义林, 吴家耀, 孟国涛, . 基于离散元模拟和微震监测的白鹤滩水电站左岸地下厂房稳定性分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2470-2484.
[3] 史林肯, 周辉, 宋明, 卢景景, 张传庆, 路新景, . 深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(6): 1933-1943.
[4] 张振, 张朝, 叶观宝, 王萌, 肖彦, 程义, . 劲芯水泥土桩承载路堤渐进式失稳破坏机制[J]. 岩土力学, 2020, 41(6): 2122-2131.
[5] 苏杰, 周正华, 李小军, 董青, 李玉萍, 陈柳. 基于偏振特性的下孔法剪切波到时判别问题探讨[J]. 岩土力学, 2020, 41(4): 1420-1428.
[6] 杨高升, 白冰, 姚晓亮, . 高含冰量冻土路基融化固结规律研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 1010-1018.
[7] 马秋峰, 秦跃平, 周天白, 杨小彬. 岩石剪切断裂面接触算法的开发与应用[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 1074-1085.
[8] 李康, 王威, 杨典森, 陈卫忠, 亓宪寅, 谭彩. 周期振荡法在低渗透测量中的应用研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 1086-1094.
[9] 李翻翻, 陈卫忠, 雷江, 于洪丹, 马永尚, . 基于塑性损伤的黏土岩力学特性研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 132-140.
[10] 夏 坤, 董林, 蒲小武, 李璐, . 黄土塬地震动响应特征分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 295-304.
[11] 郭院成, 李明宇, 张艳伟, . 预应力锚杆复合土钉墙支护体系增量解析方法[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 253-258.
[12] 闫国强, 殷跃平, 黄波林, 张枝华, 代贞伟, . 三峡库区巫山金鸡岭滑坡成因机制与变形特征[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 329-340.
[13] 刘红岩. 宏细观缺陷对岩体力学特性及边坡稳定影响研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 431-439.
[14] 金爱兵, 刘佳伟, 赵怡晴, 王本鑫, 孙浩, 魏余栋, . 卸荷条件下花岗岩力学特性分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 459-467.
[15] 韩征, 粟滨, 李艳鸽, 王伟, 王卫东, 黄健陵, 陈光齐, . 基于HBP本构模型的泥石流动力过程SPH数值模拟[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 477-485.
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