岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 725-736.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0875

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于3D打印的粗糙结构面模型表征及渗流特性试验研究

王培涛1, 2, 3，黄浩1，张博1, 4，王路军2, 3，杨毅2, 3   

  1. 1. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；2. 国能神东煤炭集团有限责任公司 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102201；3. 北京低碳清洁能源研究院，北京 100011；4. 核工业北京地质研究院，北京 100029
  • 收稿日期:2023-06-20 接受日期:2023-07-26 出版日期:2024-03-11 发布日期:2024-03-20
  • 作者简介:王培涛，男，1987年生，博士，副教授，硕士生导师，主要从事裂隙岩体3D打印、多尺度及各向异性力学分析方面研究。E-mail: wangpeitao@ustb.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目（No.2021YFC2900500，No.2023YFC2907401）；国家自然科学基金项目（No.52074020）；煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室2019年开放基金课题（No.WPUKFJJ2019-06）；北京科技大学青年教师学科交叉研究项目（中央高校基本科研业务费专项资金）资助项目（No.FRF-IDRY-21-001）。

Characterization of rough fracture model and the seepage characteristics based on 3D printing technology

WANG Pei-tao1, 2, 3, HUANG Hao1, ZHANG Bo1, 4, WANG Lu-jun2, 3, YANG Yi2, 3   

  1. 1. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining, CHN Energy Shendong Coal Group Co., Ltd. Beijing 102201, China; 3. National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Beijing 100011, China; 4. Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China
  • Received:2023-06-20 Accepted:2023-07-26 Online:2024-03-11 Published:2024-03-20
  • Supported by:
    This work was supported by the National Key R&D Program of China (2021YFC2900500, 2023YFC2907401), the National Natural Science Foundation of China (52074020), the Open Fund of State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining (WPUKFJJ2019-06) and the Interdisciplinary Research Project for Young Teachers of USTB (Fundamental Research Funds for the Central Universities) (FRF-IDRY-21-001).

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摘要：

基于Weierstrass-Mandelbrot（W-M）分形函数开展三维粗糙结构面表征，讨论了W-M典型几何参数对三维曲面形态影响，分析确定对应于典型Barton节理JRC轮廓线的二维与三维W-M几何参数。基于自主设计结构面渗流测试系统，结合3D打印开展不同分形参数和开度的裂隙渗流试验，试验结果表明：随着水力梯度和粗糙度的增加，流体的流动表现出明显的非线性，Forchheimer方程的系数A与B都随着裂隙粗糙度的增加而增大，随着裂隙开度的增加而减小；随着裂隙粗糙度的增加，临界雷诺系数Rec 趋于减小，说明流体流动趋于非达西流动。光滑表面流体的流场流速比较均匀；粗糙裂隙表面流场更加复杂，整个粗糙面上存在多个高流速区域和低流速区域。研究成果可为裂隙渗流特性研究提供了可靠的分析方法和模型。

关键词: 岩石裂隙, 渗流试验, 分形维数, 粗糙度, 3D打印

Abstract:

A three-dimensional rough structural surface characterization was carried out based on the Weierstrass-Mandelbrot (W-M) fractal function. The effects of typical W-M geometric parameters on the three-dimensional surface morphology were discussed. The two-dimensional and three-dimensional W-M geometric parameters corresponding to typical Barton JRC curves were analyzed and provided. Experimental fracture seepage tests on specimens with different fractal parameters and fracture aperture were conducted using a self-designed fracture seepage system based on 3D printing technology. The test results showed that the fluid flow exhibited obvious nonlinearity with increasing hydraulic gradient and roughness. The coefficients of A and B in the Forchheimer equation increased with increasing fracture roughness and decreased with increasing fracture aperture. Meanwhile, the critical Reynolds coefficient tended to decrease as the roughness increased, indicating a tendency towards non-Darcy flow. The analysis of fluid flow patterns revealed that the flow velocity of the smooth structure surface of the model was relatively uniform. The flow field of the rough surface was complex showing several high and low flow velocity regions along the rough surfaces. The research results provide reliable analytical methods and models for the study of fracture seepage characteristics.

Key words: rock fracture, seepage test, fractal dimension, roughness, 3D printing

中图分类号: TU451
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