岩体裂隙网络非线性渗流特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件(CCD)照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络(DFN)模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes(简称N-S)方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时(比如J>0.1),通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时(比如J<10-4),Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。

破断岩体裂隙的流体流动特性分析

讨论立方定律成立的前提条件,指出立方定律只有在裂隙隙宽波动极小的情况下才能近似成立,对于岩体粗糙裂隙来说,此种状态只会出现在裂隙的局部区域,即局部立方定律;而在裂隙隙宽波动较大的区域,则需准确表述裂隙粗糙对流体流动的影响作用。提出天然粗糙裂隙的多平行板离散等效模型,可以有效地适用局部立方定律,推导粗糙裂隙的隙宽表示和流量计算公式;借助数值软件分析隙宽波动对等效模型单元体内部流体压力的作用规律,并定义一个过量压力降损耗系数,基于该系数对粗糙裂隙的流量计算方法进行修正。

基于立方定律的岩体裂隙非线性流动几何模型

岩体裂隙壁面的几何粗糙会引起其中流体的流动非线性,立方定律在分析此类问题时最为简便但却无法适用。旨在基于简单的立方定律,提出一个能够有效适用于岩体裂隙几何粗糙引起非线性流动的分析模型。通过对N-S方程进行量级分析得到了立方定律适用的3个条件:1足够小的壁面粗糙;2足够小的隙宽流程比;3较小的流动惯性。这些条件在粗糙岩体裂隙中难以满足。为了解决这一问题,提出了一个新的粗糙岩体裂隙的离散等效几何模型,该模型中裂隙被合理地"分割",离散成较短的单元段以使得立方定律的适用条件成立;建立了粗糙单元段的平行板等效方法,从而在粗糙单元段内应用立方定律(局部立方定律)。借助几何模型对典型粗糙岩体裂隙进行了离散和数值模拟,发现离散后的裂隙与原裂隙在流动行为上呈现极好的相似性。并基于离散裂隙导出了粗糙岩体裂隙非线性流动的流量公式,最后通过不同岩体粗糙裂隙的流动试验验证了本模型的正确性。该几何模型及其流量公式能为真实粗糙岩体裂隙的非线性流动行为分析提供有效手段。

天然节理局部立方定理有效性的探讨

直接从N -S方程出发 ,对用数值模拟法确定单裂隙非饱和渗透系数时广为应用的局部立方定理进行了推导。根据推导过程中所作的假设 ,给出了局部立方定理能近似成立的 3个条件。对照实际岩体裂隙和其内水流的特点 ,对裂隙局域内水流能否近似满足上述条件作了定性地分析 。

NON-LCL AND TRACER TEST FOR GROUNDWATER FLOW IN A SINGLE FRACTURE

The validity of Local Cubic Law （LCL） is an important issue to study groundwater flow and transport in fractured media. According to laboratory simulaion tests, the average velocity with a lower gradient in a single fracture is calculated by the LCL, which is compared with the measured average velocity. Then dye tracer test is designed and completed. The evidence for non-LCL, is drawn from the results of the simulation tests and the dye tracer tests. Then the Reynolds number of groundwater is calculated, the critical value of Re for laminar flow is discussed in a single fracture under different conditions. The motion types for groundwater flow have been discussed.