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

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。