›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (9): 3294-3302.doi: 10.16285/j.rsm.2016.2623

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

熊 峰1,孙 昊1,姜清辉1,叶祖洋2,薛道锐1,刘乳燕1   

  1. 1. 武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072;2. 武汉科技大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081
  • 收稿日期:2016-11-08 出版日期:2018-09-11 发布日期:2018-10-08
  • 通讯作者: 姜清辉,男,1972年生,博士,教授,博士生导师,主要从事岩石力学数值方法方面的研究工作。E-mail: Jqh1972@whu.edu.cn E-mail:Whufengx@163.com
  • 作者简介:熊峰,男,1992年生,博士研究生,主要从事裂隙岩体渗流方面的研究工作。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(No.51679173, No.51709207);湖北省自然科学基金(No.2016CFA083)。

Theoretical model and experimental verification on non-linear flow at low velocity through rough-walled rock fracture

XIONG Feng1, SUN Hao1, JIANG Qing-hui1, YE Zu-yang2, XUE Dao-rui1, LIU Ru-yan1   

  1. 1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China; 2. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China
  • Received:2016-11-08 Online:2018-09-11 Published:2018-10-08
  • Supported by:

    This work was supported by National Natural Science Foundation of China (51679173, 51709207) and the Natural Science Foundation of Hubei Province (2016CFA083)

摘要: 岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型(MT模型)。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。

关键词: 岩石裂隙, 非线性流动模型, 渗流试验, 开度, 粗糙度, 临界雷诺数

Abstract: Non-linear flow in rough-walled rock fracture is one of significant issues of rock mass seepage properties. Based on viscous pressure drop and local pressure drop, a novel non-linear flow model (MT model) at the low velocity though rough-walled rock fracture is proposed for the assumption of velocity proportional to an aperture in sub-fracture which takes place assumption of equal velocity in Javadi’s T model. Saturated seepage experiments of five rock fracture replicas at the low flow rate are carried out. The results show that MT model is preferable to fit experimental data compared with preceding others, so the MT model is more exact in describing non-linear flow. Furthermore, the MT model is applicable to the case: the fractures with JRC less than or equal to 10 and Reynolds number lower than 1 000. After a thorough study of MT model, it is discovered that there are two flow regimes in rough-walled rock fractures: Darcy flow in small Reynolds number and Forchheimer flow in large Reynolds number, and a critical Reynolds number is defined to differentiate between them. The effects of fracture roughness and aperture on non-linear flow are discussed. The rougher and smaller aperture of fracture is, the smaller critical Reynolds number is, and the stronger non-linear effect is. A formulation of the critical Reynolds number, hydraulic aperture and absolute roughness is developed. In addition, the formulation is reasonable in rough-walled fracture with JRC less than or equal to 10.

Key words: rock fracture, non-linear flow model, seepage experiment, aperture, roughness, critical reynolds number

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[1] 周 辉, 程广坦, 朱 勇, 张春生, 卢景景, 张传庆, 章颖辉, . 基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(1): 118-126.
[2] 杨圣奇,陆家炜,田文岭,唐劲舟,. 不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究[J]. , 2018, 39(S1): 21-32.
[3] 陈家瑞,董 云,张 渊,蒋 洋,张继华,何春林,李西蒙,. 考虑倾角与开度的薄基岩裂隙溃沙特性研究[J]. , 2018, 39(S1): 244-250.
[4] 李正伟,张延军,张 驰,许天福,. 花岗岩单裂隙渗流传热特性试验[J]. , 2018, 39(9): 3261-3269.
[5] 赵婷婷,冯云田,王 敏,王 勇,. 基于改进粗糙表面Greenwood-William 接触模型的离散元方法[J]. , 2018, 39(9): 3440-3452.
[6] 陈 琛,冷伍明,杨 奇,金子豪,聂如松,邱 鋆,. 混凝土桩-泥皮-砂土接触面力学特性试验研究[J]. , 2018, 39(7): 2461-2472.
[7] 李长俊,陈卫忠,杨建平,刘金泉, . 运营期水下盾构隧道管片接缝张开度变化规律[J]. , 2018, 39(10): 3783-3793.
[8] 张文泉,袁久党,王忠昶,朱纪明,. 采动裂隙岩体压剪渗透规律试验研究[J]. , 2017, 38(9): 2473-2479.
[9] 宋磊博,江 权,李元辉,杨成祥,冉曙光,王百林,刘 挺,. 基于剪切行为结构面形貌特征的描述[J]. , 2017, 38(2): 525-533.
[10] 王昌硕,王亮清,葛云峰,梁 烨,孙自豪,董曼曼,张 楠. 基于统计参数的二维节理粗糙度系数非线性确定方法[J]. , 2017, 38(2): 565-573.
[11] 孙可明,辛利伟,翟 诚,张树翠,李天舒. 考虑三维形貌特征粗糙裂隙加卸载渗流规律研究[J]. , 2016, 37(S2): 161-166.
[12] 赵 瑜,王超林,万 文,. 压剪作用下裂隙扩展过程渗流与应力耦合模型研究[J]. , 2016, 37(8): 2180-2186.
[13] 李 毅, . 岩石裂隙的非饱和渗透特性及其演化规律研究[J]. , 2016, 37(8): 2254-2262.
[14] 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.
[15] 丁 瑜 ,杨 奇 ,夏振尧 ,许文年 , . 生态护坡基材土-岩接触面原位剪切试验研究[J]. , 2015, 36(S2): 383-388.
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[1] 何思明,吴 永,李新坡. 嵌岩抗拔桩作用机制研究[J]. , 2009, 30(2): 333 -337 .
[2] 刘清秉,项 伟,张伟锋,崔德山. 离子土壤固化剂改性膨胀土的试验研究[J]. , 2009, 30(8): 2286 -2290 .
[3] 杜文琪,王 刚. 土工结构地震滑动位移统计分析[J]. , 2011, 32(S1): 520 -0525 .
[4] 鄢治华,刘志伟,刘厚健. 黄河阶地上某电厂高边坡参数选取及其工程治理[J]. , 2009, 30(S2): 465 -468 .
[5] 许振浩 ,李术才 ,李利平 ,侯建刚 ,隋 斌 ,石少帅. 基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估[J]. , 2011, 32(6): 1757 -1766 .
[6] 江 权 ,冯夏庭 ,周 辉 ,赵 阳 ,徐鼎平 ,黄 可 ,江亚丽. 层间错动带的强度参数取值探讨[J]. , 2011, 32(11): 3379 -3386 .
[7] 温世清 ,刘汉龙 ,陈育民. 浆固碎石桩单桩荷载传递特性研究[J]. , 2011, 32(12): 3637 -3641 .
[8] 李顺群 ,高凌霞 ,柴寿喜. 冻土力学性质影响因素的显著性和交互作用研究[J]. , 2012, 33(4): 1173 -1177 .
[9] 钟 声 ,王川婴 ,吴立新 ,唐新建 ,王清远. 点状不良地质体钻孔雷达响应特征 ——围岩及充填效应正演分析[J]. , 2012, 33(4): 1191 -1195 .
[10] 孟 振,陈锦剑,王建华,尹振宇. 砂土中螺纹桩承载特性的模型试验研究[J]. , 2012, 33(S1): 141 -145 .