三维复杂裂隙岩体渗流传热耦合的数值研究

将复杂裂隙岩体视为由离散裂隙网络和岩石基质两部分组成,采用四面体单元离散岩石基质,无厚度三角形单元离散复杂三维离散裂隙网络,考虑温度对流体密度和动力粘度的影响,建立了描述三维裂隙网络的裂隙岩体渗流-传热耦合模型。通过与二维单裂隙渗流-传热耦合问题的解析解对比,验证了该模型的可靠性。随后,利用该模型对复杂三维随机裂隙岩体的渗流-传热耦合过程进行了研究,研究发现:裂隙网络是主要的导水通道,在贯通裂隙簇中出现了明显的优势流,大量的流体在流经基岩的途中与会周围的高温岩体进行热量交换,导致在裂隙网络贯通区域的岩体首先温度下降,形成一条低温带,然后由于岩体的热传导作用,低温带再向四周进行扩散。     

非线性渗流对裂隙岩体渗流传热过程的影响

提出了一种裂隙岩体的非线性渗流传热数值模型,首先将Forchheimer方程与雷诺方程耦合得到非线性渗流控制方程,然后结合传热控制方程,考虑裂隙与岩石基质之间的热量交换,研究了非线性渗流对裂隙岩体渗流传热过程的影响。通过与裂隙网络非线性渗流试验数据对比,验证了裂隙岩体非线性渗流模型的有效性。最后,通过二维单裂隙和三维裂隙网络模型进行了非线性渗流传热分析。结果表明:该模型能够比较准确地描述裂隙岩体的非线性渗流特征,随着裂隙开度df的增加,流体的非线性效应不断加强,与达西条件下计算的渗流传热结果的偏差就越大,通过归一化导流系数T/T0确定临界水力梯度Jc,发现裂隙开度对临界水力梯度Jc起到主导性作用,且临界水力梯度Jc与裂隙开度df满足幂函数递减关系;归一化热突破时间t/t_0≥1,非线性条件下的稳定期要比线性条件下的稳定期长,并随着裂隙开度和裂隙数量的增大而增大。     

基于等效离散裂隙网络的三维裂隙岩体渗流模型

基于等效离散裂隙网络模型,提出一种模拟具有裂隙网络–岩石基质复杂裂隙岩体渗流的三维数值计算方法。该模型将岩石看作由不透水的四面体块体组成的集合,渗流只在相邻块体之间的界面上发生,并遵循Darcy定理。为模拟复杂裂隙岩体的空间结构,开发随机均布三维Delaunay四面体网格生成算法,可以显式模拟三维裂隙网络及其复杂的相交关系。岩石基质中的孔隙被等效界面网络系统代替。为保证该系统拥有与完整岩石相同的宏观渗透性,建立等效离散裂隙网络模型,并提出宏细观渗流参数的转换方法。裂隙也作为界面存在,但具有较高的渗透性,在数值上与基质中界面的处理方式相同,便于程序实现及数值稳定。为验证该方法的有效性,进行几个数值计算,数值结果与解析解吻合良好。最后,通过一系列算例研究裂隙渗透性、大小、方向、相交位置对岩体宏观渗透性的影响,及裂隙密度与逾渗阈值之间的关系。     

裂隙岩体渗流溶质运移耦合离散裂隙模型数值计算方法

研究裂隙岩体渗流溶质运移问题对于岩土工程地下水污染物预测控制具有重要意义。基于离散裂隙网络模型,采用实体单元模拟基质岩块、无厚度单元模拟复杂裂隙网络,提出了裂隙岩体渗流溶质运移耦合的三维数值计算方法。针对无反应项和含反应项两种情况,通过算例分析了单裂隙中溶质迁移行为,并与精细模拟方法、解析方法的结果进行对比验证;进一步将该法应用于预测大规模裂隙岩体溶质浓度分布规律及发展趋势,并评价了主要影响因素。结果表明,该法可有效模拟裂隙网络、基质岩块中水分溶质传输行为;由于贯通裂隙网络的优势流影响,溶质羽主要受控于裂隙水的对流作用,出现了高度非均匀分布现象;通过参数敏感性分析发现,相较于岩块基质的扩散作用,裂隙开度产生的对流作用是影响浓度场分布的主控因素。在保证精度的前提下,该法可大幅减小计算量和计算时长,对于解决含复杂裂隙网络岩体渗流传质的三维数值模拟问题具有明显优势。     

基于激光点云数据的裂隙岩体渗流场的无单元法模拟

 利用三维激光扫描技术获取岩体表面高精度激光点云数据,进而得到岩体裂隙网络的几何信息和产状分布情况。研究基于激光点云坐标数据求解含复杂裂隙网络岩体二维渗流场的无单元法,采用罚函数法处理渗流边界条件,并推导无单元Galerkin法的基本方程和积分格式。该方法首先将激光点云数据经坐标投影和抽稀后作为无单元模拟的节点坐标数据;然后结合岩体裂隙网络的几何信息,采用无单元法计算渗流场,进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下优点：(1) 可以精确获取高陡边坡的裂隙产状、位置坐标、长度和开度等几何信息;(2) 直接将激光点云作为无单元法节点,减少生成裂隙网格和生成节点坐标的工作;(3) 将裂隙网络采用裂隙渗透张量表示,可以对非连通裂隙、不同开度和不同充填程度的裂隙进行模拟。在此基础上,应用IDL编制基于海量激光点云数据的岩体裂隙产状分析和无单元法渗流场数值模拟软件LIDAREFM,并计算怀柔县桥梓镇一裸露岩石边坡的渗流场。计算结果表明,该方法是可行、有效的,计算得到的渗流场分布及特性能够反映岩体裂隙网络对渗流场的影响。该方法为研究裂隙岩体真实渗流场分布提供了一种新的研究思路。     

裂隙介质中的多重裂隙网络渗流模型

提出了多重裂隙网络渗流模型的思想,即按各种地质结构在空间的展布规模,将裂隙岩体处理成离散的主干裂隙网络系统、分支裂隙网络系统和可以概化的等效网络系统,认为裂隙介质由它们构成。为了突出主干和分支网络的特殊性,提出了节理单元模型并专门推导了节理单元的连续性方程。建立了多重裂隙网络渗流数学模型,并用一个简单的算例比较了它与传统模型在计算结果上的差异。     

裂隙岩体渗流计算方法研究

文中系统推导了裂隙网络模型,正交和非正交裂隙组的连续均质场模型计算公式,编制了数值计算方法的程序并应用于实例,还用物理模型加以验证。 经过多次裂隙渗流与多孔介质渗流计算比较,裂隙渗流的自由面显著高于多孔介质,因此研究裂隙岩体渗流和岩坡的稳定性以采用裂隙渗流计算方法为可靠。     

裂隙岩体基渗流分析

裂隙岩体坝基渗流分析成果是进行大坝工程设计的重要依据之一。采用非连续介质的裂隙网络渗流原理对裂隙岩体坝基进行渗流分析 ,计算工况包括设置灌浆帷幕和排水孔与否及其组合共四种情况。由计算结果可以看出 ,坝基总渗流量主要由灌浆帷幕的质量和帷幕区的渗透系数决定 ,坝基排水孔在排出渗水和降低渗透压力方面起到极其重要的作用。     

裂隙岩体坝基渗流分析

裂隙岩体坝基渗流分析成果是进行大坝工程设计的重要依据之一。采用非连续介质的裂隙网络渗流原理对裂隙岩体坝基进行渗流分析,计算工况包括设置灌浆帷幕和排水孔与否及其组合共四种情况。由计算结果可以看出,坝基总渗流量主要由灌浆帷幕的质量和帷幕区的渗透系数决定,坝基排水孔在排出渗水和降低渗透压力方面起到极其重要的作用。     

基于核磁共振实时成像技术的裂隙砂岩渗流特性研究

地下工程岩体内部存在着大量不规则、多尺度的孔(裂)隙,使得其渗流问题十分复杂,研究裂隙岩体的渗流特性及流场分布对岩体工程安全和深部资源开发利用具有重要的工程实际意义。利用核磁共振岩石渗流过程实时在线分析与成像系统对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流试验,对渗流过程中试样的体积含水率、T2谱曲线和渗透系数等参数的演变规律进行分析。结果表明:裂隙岩石试样的渗透特性与裂隙倾角和数量有关,岩石裂隙萌生和扩展受到渗透压力增加的影响,试样渗透系数呈现缓慢增加后平稳的趋势。当围压增大时,试样渗透系数减小,且当围压超过10MPa时渗透系数变化的敏感度降低。T2谱分布曲线的结果则表明流体首先在微孔隙中发生渗流扩散,然后在主裂隙中聚集,逐渐形成完整渗流通道。根据立方定律推导的渗透系数计算公式能较好的反映试验结果,为实际工程中低围压裂隙岩体渗透系数的计算提供更加安全可靠的方法。最后,通过对裂隙岩石试样的渗流过程进行核磁共振成像,直观获得了试样内部渗流场的分布规律,可准确描述流体在裂隙试样中的流动状态,为实际工程岩体裂隙渗流问题提供有意义的指导。     

二维任意裂隙网络裂隙–孔隙渗流模型的两种解法

 与裂隙网络渗流模型相比,裂隙–孔隙渗流模型(双重介质渗流模型)假定裂隙及裂隙切割而成的岩块均透水。这样可以只考虑较大裂隙形成的裂隙网络,而岩块及其内部的较小随机裂隙均作为连续孔隙介质进行渗流分析,从而减少裂隙网络中的裂隙数量以增加计算容量。讨论裂隙–孔隙渗流模型研究存在的问题,归纳剖析2种解法,即整体求解法与流量交换法。整体求解法中,裂隙作为有一定宽度的介质并划分为实体计算单元,与岩块单元的单元渗透矩阵合并成总体渗透矩阵进行求解。裂隙实体单元无需在网格划分时划出,只需在计算程序中对裂隙节点进行扩展。流量交换法中,裂隙系统和岩块系统分别形成渗透矩阵和渗流方程组,分别计算2个系统的渗流,2个系统之间通过流量交换,最终实现流量平衡和同一节点的水头一致,并指出水交换量只修正下游节点的渗流平衡方程。通过算例,比较2种解法的特点。还提出任意封闭回路在不增加节点前提下的三角形划分法。     

超临界CO2在高温裂隙岩体中的热交换研究

近年来,由于超临界CO₂(Supercritical CO₂,简称scCO₂)额外的地质封存效益,将scCO₂替代水,作为深部地热开采的工作流体的设想,正受到越来越多的关注。因此,开展高温裂隙岩体中流体运动和热交换过程的模拟研究,对于理解深部地热开采机理具有重要意义。本文在充分考虑scCO₂热物理性质随压力和温度变化的基础上,建立了基于三维裂隙网络显式描述的复杂高温裂隙岩体scCO₂热-流耦合模型。通过与热流耦合作用下的二维单裂隙模型的解析解进行对比,验证了数值模型的正确性,然后对scCO₂在复杂三维随机裂隙岩体的渗流和热交换过程进行了模拟。研究发现:贯通的裂隙网络通道是scCO₂的主要流动路径,在贯通的裂隙簇中会出现明显的优势流,突破现象最早在贯通裂隙簇中产生,scCO₂流体对压力非常敏感,选择合适的注入压力能显著增加热交换效率和降低流动难度。模拟结果表明,本模型可以很好地展现裂隙岩体换热过程的非均质特性和结构面控制特性,可作为评价scCO₂采热过程的有效工具。     

岩体非连续裂隙网络三维面状渗流模型

模拟了一个野外实际入渗试验的岩体裂隙网络及其中的渗流。通过逆方法建立岩体三维裂隙网络模型,其指导原则是使模型能够再现野外通过露头和钻孔所观察到的裂隙现象。逆方法由于可以对模拟和实测裂隙进行相同条件统计抽样,因此避免了实测数据统计分析中复杂的误差矫正。裂隙面状渗流分析采用了任意多边形有限差分法。讨论了通过模型校正确定裂隙导水系数的方法,进行了随机模型重复实现,验证了模型的稳定性。     

裂隙岩体非饱和水力应力耦合的不连续介质模型研究

目前对于裂隙岩体饱和水力应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析,而是要考虑岩体饱和-非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性的重要影响.因此在总结众多学者对裂隙岩体水力耦合研究成果的基础上,根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了基于非连续介质方法的--DDA方法的非饱和水力应力耦合模型;并给出了降雨入渗工况下的边坡水力耦合算例.计算结果表明,边坡稳定性随着降雨入渗时间的增加而减小,降雨强度越大,边坡稳定系数的降幅越大;考虑水力耦合时的边坡稳定性要小于不考虑水力耦合时的边坡稳定性,且在同一时刻,若降雨强度越大,考虑水力耦合与不考虑水力耦合的稳定系数差值越大.仿真试验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的,由此说明了所提出的水力耦合模型能正确反映裂隙岩体的水力学特性,验证了该模型是可行有效的,可付诸于实践.     

裂隙单元修正等效渗透率模型及其验证

 采用裂隙单元表征裂隙网络,引入裂隙单元等效渗透率的概念,按照流量等效的原则计算其大小,然而阶梯状裂隙单元造成渗流流程的增加,同时压差不变导致流量的减少,为解决这一问题,用裂隙在网格中的实际流程长度与裂隙迹长之比来修正裂隙单元等效渗透率,并且针对复杂裂隙网络,对其进行预处理--删除孤立裂隙、死端裂隙、孤立裂隙簇等非连通裂隙。用此修正模型对单裂隙、相交裂隙、复杂裂隙网络进行渗流数值模拟,并与理论解及离散裂隙网络模型方法渗流结果进行比较,结果显示：研究区域下游出口总流量及出口处流量分布均取得较好一致性;同时,此裂隙单元修正等效渗透率模型也能反映出裂隙岩体渗流的非均质和各向异性。     

无填充裂隙岩体水流–传热模型实验研究

 裂隙岩体内的水流–传热特征是评价高放射核废物处置库安全运行的重要组成部分。选取中国高放射核废物地下处置库重点预选场区–甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成尺寸为150.25 cm×90.4 cm×30 cm(高度×宽度×厚度)的规则裂隙岩体模型,进行室内实验,研究热源温度和裂隙水流速对多裂隙岩体内水流–传热过程的影响。模型由18块花岗岩组成,包含开度不同的2条水平和2条垂直裂隙,在模型一侧设置电热板并在裂隙以及岩石内部布置温度和压力传感器。实验结果表明：(1) 由于热源和垂直裂隙之间的距离,岩石热传导和裂隙水流动约在实验开始一小时后耦合;(2) 在水平裂隙与垂直裂隙的交汇处存在局部热对流,使垂直裂隙水的温度在该处明显升高;(3) 热源温度越高,裂隙水流速越低,系统温度场达到稳定的时间越长,热源的影响距离越远;(4) 邻近热源侧的垂直裂隙对整个温度场的分布起控制作用,水平裂隙会增加热源的影响距离;(5) 实验中裂隙水温度低于100 ℃,热源温度变化对裂隙水压力变化的影响很小。     

Interactive roles of geometrical distribution and geomechanical deformation of fracture networks in fluid flow through fractured geological media

In this study,the combined effects of geometrical distribution and geomechanical deformation of fracture networks on fluid flow through fractured geological media are investigated numerically.We consider a finite-sized model domain in which the geometry of fracture systems follows a power-law length scaling.The geomechanical response of the fractured rock is simulated using a hybrid finitediscrete element model,which can capture the deformation of intact rocks,the interaction of matrix blocks,the displacement of discrete fractures and the propagation of new cracks.Under far-field stress loading,the locally variable stress distribution in the fractured rock leads to a stress-dependent variable aperture field controlled by compression-induced closure and shear-induced dilatancy of rough fractures.The equivalent permeability of the deformed fractured rock is calculated by solving for the fracture-matrix flow considering the cubic relationship between fracture aperture and flow rate at each local fracture segment.We report that the geometrical connectivity of fracture networks plays a critical role in the hydromechanical processes in fractured rocks.A well-connected fracture system under a high stress ratio condition exhibits intense frictional sliding and large fracture dilation/opening,leading to greater rock mass permeability.However,a disconnected fracture network accommodates much less fracture shearing and opening,and has much lower bulk permeability.We further propose an analytical solution for the relationship between the equivalent permeability of fractured rocks and the connectivity metric(i.e.percolation parameter) of fracture networks,which yields an excellent match to the numerical results.We infer that fluid flow through a well-connected system is governed by traversing channels(forming an"in parallel" architecture) and thus equivalent permeability is sensitive to stress loading(due to stress-dependent fracture permeability),whilst fluid flow through a disconnected system is more ruled by matrix(linking isolated clusters"in series") and has much less stress dependency.     

裂隙岩体非稳定渗流的复合单元算法

 针对裂隙岩体渗流非连续、非均质和各向异性的特点,提出裂隙岩体非稳定渗流的复合单元算法,给出详细的计算格式和数值处理的关键技术,包括复合单元的前处理、求解自由面边界流量项的积分方法以及溢出边界的判断准则。该算法的特点是：(1) 可准确地离散岩体内任意分布的裂隙;(2) 可考虑岩块的渗透性及其与裂隙间的水量交换;(3) 可与传统有限单元计算程序无缝整合;(4) 复合单元的拓扑信息由裂隙面和常规有限单元的交切计算生成,由于事先未考虑裂隙的存在,极大地减轻了人工剖分网格的工作量;(5) 对裂隙岩体非稳定渗流过程中裂隙与岩块渗流不同步的现象具有较强的描述能力,并能提供近似于有限单元法的计算精度。通过典型砂槽试验验证了该算法的正确性和有效性。最后,对裂隙岩体进行非稳定渗流分析,计算结果很好地反映了岩体内水压力的传递过程,实现了对裂隙与岩块因水力特性不同而导致的不同于整体流向的局部流动的模拟。     

Convective heat transfer of water flow in intersected rock fractures for enhanced geothermal extraction

Numerous intersected rock fractures constitute the fracture network in enhanced geothermal systems.The complicated convective heat transfer behavior in intersected fractures is critical to the heat recovery in fractured geothermal reservoirs.A series of three-dimensional intersected fracture models is constructed to perform the flow-through heat transfer simulations.The geometry effects of dead-end fractures(DEFs)on the heat transfer are evaluated in terms of intersected angles,apertures,lengths,and the connectivity.The results indicate that annular streamlines appear in the rough DEF and cause an ellipse distribution of the cold front.Compared to plate DEFs,the fluid flow in the rough DEF enhances the heat transfer.Both the increment of outlet water temperatureΔToutand the ratio of heat production Qrpresent the largest at the intersected angle of 90°while decline with the decrease of the intersected angle between the main flow fracture(MFF)and the DEFs.The extension of the length of intersected DEFs is beneficial to heat production while enhancing its aperture is not needed.Solely increasing the number of intersected DEFs induces a little increase of heat extraction,and more significant heat production can be obtained through connecting these DEFs with the MFF forming the flow network.