岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (6): 1659-1668.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1448

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于3D打印技术的复杂三维粗糙裂隙网络 渗流特性试验及数值模拟研究

黄娜1,蒋宇静2,程远方1,刘日成3   

  1. 1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院,山东 青岛 266580;2. 长崎大学 工学研究科,日本 长崎 8528521; 3. 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
  • 收稿日期:2020-09-24 修回日期:2021-02-05 出版日期:2021-06-11 发布日期:2021-06-16
  • 通讯作者: 蒋宇静,男,1962年生,博士,教授,主要从事岩石力学方面的教学工作。E-mail: jiang@nagasaki-u.ac.jp E-mail: huangna@upc.edu.cn
  • 作者简介:黄娜,女,1991年生,博士,讲师,主要从事裂隙岩体渗流特性方面的研究工作
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.51909269,No.51991362);山东省自然科学基金重大基础研究项目(No.ZR2019ZD14)。

Experimental and numerical study of hydraulic properties of three-dimensional rough fracture networks based on 3D printing technology

HUANG Na1, JIANG Yu-jing2, CHENG Yuan-fang1, LIU Ri-cheng3   

  1. 1. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao, Shandong 266580, China; 2. School of Engineering, Nagasaki University, Nagasaki 8528521, Japan; 3. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China
  • Received:2020-09-24 Revised:2021-02-05 Online:2021-06-11 Published:2021-06-16
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51909269, 51991362) and the Major Basic Research Projects of Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2019ZD14).

摘要: 准确地评价岩体裂隙网络渗流特性是地下工程建设与环境安全的重要基础。构建了模拟真实岩体裂隙网络结构的三维数字模型,利用3D打印技术制作了三维粗糙裂隙网络模型试样,进行了不同边界条件下的渗流试验,并采用数值模拟方法进一步研究了裂隙表面粗糙性对渗流特性的影响。研究结果表明:随着注入水流流速的增加,模型中因惯性效应引起的水头损失逐渐增大,试样进出口之间水压差与流量的关系由线性向非线性转变,转折点对应的临界水力梯度范围为0.015~0.195。三维裂隙网络非线性流动特性可以采用Forchheimer方程表征,其中由惯性力引起的压降与总压降的比值随着水力梯度的增加而增大,但增幅逐渐降低,当水力梯度接近1.0时,惯性力引起的压降占总压降的比例高达68.5%。裂隙网络的空间分布特征决定了模型的整体连通性,而裂隙开度的非均匀性进一步使得流体在连通裂隙中将选择渗透性较大、阻力较小的通道优先流动,导致裂隙网络中主要流动区域面积与裂隙总面积比小于41%。裂隙表面粗糙性会降低三维裂隙网络模型的渗透性,且随着表面粗糙度增加,渗透性降低幅度越大,但裂隙开度的增加会削弱裂隙表面粗糙性对其渗透性的影响。提出的研究方法为定量化表征岩体复杂三维裂隙网络渗流特性提供了可靠途径。

关键词: 岩石力学, 裂隙网络, 3D打印, 渗流, 表面粗糙性, 开度非均匀性

Abstract: Estimation of geometrical and hydraulic properties of rock fracture networks is of great significance for underground engineering construction and environment safety. Flow tests were conducted for 3D printed fracture network specimens in this study, in which each fracture had different orientations, lengths, rough surfaces and heterogeneous apertures. A numerical procedure was developed to simulate the fluid flow through the fracture network with the same geometrical properties as the specimen. Effects of surface roughness, aperture, hydraulic gradient and flow direction on the fluid flow through fracture networks were systematically investigated. Results show that as the flow rate increases, the relationship between the pressure gradient and the flux through the fracture network transits from a linear relationship to a nonlinear one, and the nonlinear relationship can be well fitted by Forchheimer’s law. The critical hydraulic gradient in different flow directions ranges from 0.015 to 0.195. The ratio of the pressure drop induced by the inertia force to the total pressure drop increases with the increasing hydraulic gradient, while the rate of increase gradually decreases. When the hydraulic gradient is close to 1.0, the pressure drop induced by the inertial force accounts for 68.5% of the total pressure drop. The topology of the fracture network determines the overall connectivity of the model, and the heterogeneous aperture allows the fluid to preferentially flow through the channels with greater permeability and smaller resistance within the connected fractures. Therefore, the ratio of areas of the main flow channels to the total area of fracture planes is smaller than 41%. The permeability of fracture networks decreases with the increase of the surface roughness of the fracture, but the decrement is reduced by increasing the fracture aperture. This study provides reliable laboratorial and numerical methods to analyze flow properties through rough fracture networks.

Key words: rock mechanics, fracture network, 3D printing, fluid flow, surface roughness, aperture heterogeneity

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