岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (3): 1048-1055.doi: 10.16285/j.rsm.2019.0534

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粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型与数值分析

盛建龙1, 2,韩云飞1, 2,叶祖洋1, 2,程爱平1, 2,黄诗冰1, 2   

  1. 1. 武汉科技大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2. 武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081
  • 收稿日期:2019-03-20 修回日期:2019-07-31 出版日期:2020-03-11 发布日期:2020-05-26
  • 通讯作者: 叶祖洋,男,1988年生,博士,副教授,主要从事岩土力学、渗流力学及岩土工程等方面教学与研究工作。E-mail: yezuyang@wust.edu.cn E-mail:shengjl@wust.edu.cn
  • 作者简介:盛建龙,男,1964年生,博士,教授,主要从事岩土力学与岩土工程稳定性方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(No.51709207,No.41762020,No.51679173);湖北省自然科学基金(No.2018CFB631)。

Relative permeability model for water-air two-phase flow in rough-walled fractures and numerical analysis

SHENG Jian-long1, 2, HAN Yun-fei1, 2, YE Zu-yang1, 2, CHENG Ai-ping1, 2, HUANG Shi-bing1, 2   

  1. 1. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China; 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgical Mineral Resources, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China
  • Received:2019-03-20 Revised:2019-07-31 Online:2020-03-11 Published:2020-05-26
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51709207, 41762020, 51679173) and the Natural Science Foundation of Hubei Province (2018CFB631).

摘要: 粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数是岩体工程多相渗流以及水力耦合分析的重要参数。从粗糙裂隙的细观结构出发,基于毛细吸持理论和立方定理,提出了粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型。通过与具有不同空间分布的粗糙裂隙水、气两相流试验数据对比分析,验证了模型的准确性。为进一步验证理论模型对不同粗糙程度裂隙的适用性,基于SRAM与Invasion Percolation模型,提出了粗糙裂隙的开度分布生成以及水、气两相流数值分析方法,计算结果表明理论模型与数值数据基本吻合一致,且优于X模型、V-C模型以及Corey模型。

关键词: 粗糙裂隙, 相对渗透系数, 饱和度, 数值分析

Abstract: The relative permeabilities for water-air two-phase flow in rough-walled fractures of rock are significant parameters on multiphase flow and hydro-coupling analysis in fractured rock engineering. According to the capillary theory and cubic law, the rough-walled fractures are conceptualized as a large number of parallel plates of different apertures, and a relative permeability model for water-air two-phase flow in rough-walled fractures is proposed on the basis of micro structure of rough-walled fractures. The theoretical model is validated by the comparison with experimental data from two different rough-walled fractures with distinguished spatial distributions. No matter for water phase or air phase, the proposed model can satisfy the experimental data better than X model, V-C model and Corey model. In order to evaluate the feasibility of the proposed model on rough-walled fractures with different spatial distributions, a numerical approach is developed to generate the aperture distribution based on random successive addition method, and to perform water-air two-phase flow process based on the invasion percolation model, respectively. On the basis of a large number of numerical results, predictions of the proposed model are consistent with the calculated data and presents better goodness of fit than X model, V-C model and Corey model. This more reliable analytical model can be used for better understanding the multiphase flow and hydro-coupling analysis in fractured rock.

Key words: rough-walled fracture, relative permeability, saturation, numerical simulation

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