岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 2527-2538.doi: 10.16285/j.rsm.2023.1584

• 基础理论与实验研究 •    下一篇

基于分形理论的岩体粗糙裂隙中溶质运移预测模型研究

苗柯韩,黄勇,马晓凡,王超琦   

  1. 河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100
  • 收稿日期:2023-10-21 接受日期:2023-11-30 出版日期:2024-09-06 发布日期:2024-08-30
  • 通讯作者: 黄勇,男,1974年生,博士,教授,主要从事水文地质的科研与教学工作。E-mail: hyong@hhu.edu.cn
  • 作者简介:苗柯韩,男,1998年生,博士研究生,主要从事裂隙岩体渗流方面的研究工作。E-mail: miaokh2021@hhu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金长江水科学研究联合基金项目(No.U2240217)

Predictive model for solute transport in a rough rock fracture based on fractal theory

MIAO Ke-han, HUANG Yong, MA Xiao-fan, WANG Chao-qi   

  1. School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100, China
  • Received:2023-10-21 Accepted:2023-11-30 Online:2024-09-06 Published:2024-08-30
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China Yangtze River Water Science Research Joint Fund Project (U2240217).

摘要: 为研究裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响,以及粗糙度对水动力弥散系数DL和溶质运移速度Vt的控制作用,基于分形理论计算了不同裂隙的粗糙度和定水头下的水力开度,讨论了裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响以及不同分形维数裂隙的渗流量和流速。通过耦合Navier-Stokes方程和对流−扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)获得了裂隙中溶质运移穿透曲线,利用ADE经典解析解耦合直接模拟的穿透曲线,得到了水动力弥散系数DL和溶质运移速度Vt,讨论了DLV对溶质的控制作用及其与粗糙度的相关性,建立了基于分形理论的粗糙裂隙中溶质运移预测模型,并将该模型与直接模拟和基于几何特征的预测模型进行了对比验证。研究结果表明:分形维数和幅度参数K表征裂隙面粗糙度的效果较好,DLVt与分形参数DKv的相关性较高,所建立模型对于岩体粗糙裂隙中的溶质运移模拟具有很好的适用性和准确性。

关键词: 岩石力学, 粗糙岩体单裂隙, 溶质运移, 裂隙粗糙度, 分形理论

Abstract:

To investigate the effect of fracture surface roughness on solute transport in a rough fracture and the effect on the hydrodynamic dispersion coefficient DL and transport velocity Vt, roughness and hydraulic aperture of various fractures under constant head were calculated using fractal theory. The study discussed the influence of roughness on solute transport in rough fractures, as well as the seepage flow and solute velocity with different fractal dimensions. Breakthrough curves were generated by integrating the Navier-Stokes equation and the advection-diffusion equation (ADE). The breakthrough curves from direct simulation were coupled using the classical ADE approach. Subsequently, DL and Vt were determined. The study explored the control exerted by DL and Vt on solutes and their correlation with roughness. A prediction model based on fractal theory for solute transport in rough fractures was established and compared with direct simulation and geometric feature-based models. Results indicate that fractal dimension D and amplitude parameter Kv effectively characterize surface roughness, with a strong correlation between DL, Vt, and fractal parameter DKv. The established model demonstrates high applicability and accuracy in simulating solute transport in rough fractures.

Key words: rock mechanics, rough single fracture, solute transport, fracture roughness, fractal theory

中图分类号: TU452
[1] 刘一鸣, 李振, 冯国瑞, 杨鹏, 白锦文, 黄炳雄, 李东, . 循环加卸载下裂隙砂岩声−热响应特征及前兆规律[J]. 岩土力学, 2025, 46(9): 2773-2791.
[2] 李晓锋, 李海波, 刘黎旺, 傅帅旸, . 冲击荷载作用下岩石动态拉伸破坏特征及细观机制[J]. 岩土力学, 2025, 46(8): 2387-2398.
[3] 吕萌, 王亮清, 谢妮, 朱林锋, 安彩龙, 柯睿, 王旭晨, . 加锚异性结构面剪切特性及声发射响应特征研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(7): 2106-2120.
[4] 倪祖甲, 乔江美, 张俊楷, 唐旭海, . 基于微观岩石力学试验及精确矿物晶体建模的砂岩力学性质及波速分析[J]. 岩土力学, 2025, 46(6): 1865-1880.
[5] 张艳博, 周浩, 梁鹏, 姚旭龙, 陶志刚, 来有邦, . 基于到时精确拾取与智能优化算法结合的岩石声发射定位方法研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(5): 1643-1656.
[6] 马语航, 何明明, 李宁, . XCY-2旋切触探系统研发及应用[J]. 岩土力学, 2025, 46(3): 1025-1038.
[7] 李利萍, 余泓浩, 李秋雨, 潘一山, . 含水煤块超低摩擦效应试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(10): 3093-3103.
[8] 王莘晴, 张晓超, 裴向军, . 弃渣土体分形级配方程及最大干密度预测模型[J]. 岩土力学, 2025, 46(10): 3157-3166.
[9] 范浩, 王磊, 罗勇, 朱传奇, . 卸荷损伤砂岩的分级加载三轴蠕变力学特性试验研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 277-288.
[10] 孙杰豪, 郭保华, 田世轩, 程坦, . 基于声发射特征参数的砂岩节理直剪破坏特征试验研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 167-177.
[11] 卢英瑞, 冯现大, 刘日成, 李树忱, 胡明慧, 董峰吉, . 卸载速率对卸载诱发注浆加固节理岩体滑移行为影响的试验研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(8): 2397-2410.
[12] 孙杰豪, 郭保华, 程胜锦, 田世轩, 陈岩, . 不同控制方式和卸荷应力路径下类岩石节理剪切强度特征研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(7): 2061-2071.
[13] 余云燕, 丁小刚, 马丽娜, 崔文豪, 杜乾中. 微膨胀泥岩地基原位水分入渗响应特征试验研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(3): 647-658.
[14] 张培森, 许大强, 颜伟, 张晓乐, 董宇航, 赵铭, . 应力-渗流耦合作用下不同卸荷路径对砂岩损伤特性及能量演化规律的影响研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 325-339.
[15] 贾鹏, 郤保平, 李晓科, 解瑾, 蔡佳豪, 高鹏利, . 花岗岩非稳态传热破坏过程能量演变规律研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(10): 3013-3023.
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