稀疏非正交填充裂隙岩体水流—传热—应力模型与离散元模拟

为研究填充裂隙水流速度对岩体温度和应力的影响，选取甘肃北山地区的花岗岩，制作了稀疏非正交裂隙岩体模 型，采用河砂填充裂隙后进行模型试验；并对模型试验进行离散元数值模拟，分析了模型试验所测岩体温度和热应力与数 值模拟结果的差异和原因。结果显示：填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力，无填充时岩体温度和热应力比填砂时低；模 型试验和离散元模拟均表明，岩体温度和岩体应力随裂隙水流速度增大而减小，但是系统达到稳态所需要的时间变短；模 型试验中斜裂隙水流对温度场起主要作用；由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化，进而产生自然对 流换热，斜裂隙水流和靠近热源侧的竖裂隙水流对温度场起主要作用。     

填砂裂隙岩体渗流传热模型试验与数值模拟

选取中国高放射核废物地下处置库重要预选场区--甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成规则裂隙岩体,将垂直裂隙用粒径为0.5～0.63 mm的砂土填充,进行了裂隙水渗流传热试验;对模型试验进行了数值模拟,进而计算分析了热源温度、裂隙水流速和裂隙开度变化对裂隙岩体模型稳态温度场的影响。模型试验表明,当热源温度维持在120 ℃时,裂隙水仍无相变,裂隙岩体模型稳态温度场分布规律与热源温度为95 ℃时一致;热源温度越高,热源的水平影响距离越大,模型达到稳态需要的时间越长;裂隙填砂加强了裂隙两侧岩石之间的热传导,热源的水平影响距离和模型到达稳态需要的时间均明显大于无填充裂隙岩体模型的情况。模型试验得到的岩体模型温度场与数值计算得到的岩体模型温度场规律一致。试验过程中裂隙岩体模型在边界上存在一些热量散失,无法与数值计算中的绝热边界条件等同,致使试验数据低于数值计算值,并且热源温度越高,两者之间的差异越大。模型试验和数值计算均表明,邻近热源侧的裂隙水渗流对模型的温度场分布起控制作用,而远离热源侧的裂隙水渗流则主要影响该侧的边界温度和模型达到稳态所需要的时间。数值参数敏感性分析表明,裂隙水流速与裂隙开度越大,裂隙水对水平传热的阻滞作用越明显。     

裂隙岩体渗流耦合传热分析

以地下裂隙岩体在裂隙水—孔隙水和温度场之间耦合作用为研究对象,对热和流体流动控制方程采用有限容积数值方法进行离散求解,设置了六种裂隙水—孔隙水流速方案,给出了部分无量纲温度场,并分析了传热与流动原因。分析结果表明：岩体内裂隙水—孔隙水引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响;当裂隙岩体内发生地下裂隙水—孔隙水渗流、及热量的转移时,会产生渗流场、温度场之间的耦合作用;裂隙内水流渗透速度是影响岩体温度的主要因素,孔隙内水流渗透速度是影响岩体温度的次要因素,温差主要发生在裂隙水边界层处。     

壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明：（1）在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;（2）裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。     

稀疏不规则裂隙岩体模型三维水流-传热对温度和应力影响的试验研究

选取高放射核废物处置库重要预选场区甘肃北山地区的花岗岩,制作750 mm（宽）×300 mm（厚）×1 000 mm（高）的稀疏不规则裂隙岩体模型,该模型由18块花岗岩和竖向与斜向各两条裂隙组成,在裂隙及岩石内部埋置温度传感器、水压计、直角应变花,并在模型一侧设置局部热源,研究热源温度和裂隙水流速对岩石温度和应力的影响。结果表明,竖裂隙水主要从顶部进水口流向底部出水口,斜裂隙水主要从侧部进水口流向侧部出水口,竖裂隙与斜裂隙在交汇处存在微小流量交换;由于热源处在两条斜裂隙进水口之间,并且斜裂隙长度小于竖裂隙,岩石热传导与斜裂隙水流对岩石温度分布起控制作用,竖裂隙水流对岩石横向热传导起阻滞作用;由于热传导和水流传热的不规则性,上层岩石形成从左向右为主的传热路径,中层和下层岩石形成从上向下为主的传热路径;由于上、下层岩石温度梯度较小,岩石收缩受热拉应力,而中层岩石温度梯度较大,岩石膨胀受热压应力,大主应力的方向大致垂直于斜裂隙面与竖裂隙面的交线,岩石应力增量随斜平面方向的温度梯度增大而增大;热源温度越高,裂隙水流速越低,岩石温度越高、岩石应力越大,系统达到稳态需要的时间越长。     

正交与非正交稀疏裂隙岩体水流-传热对温度影响的数值分析

为研究正交与非正交稀疏裂隙岩体水流-传热对温度的影响,采用三维离散单元法程序(3 Dimension Distinct Element Code,简称3DEC)分析正交与非正交稀疏裂隙岩体水流-传热对温度场影响规律。研究表明:正交裂隙水流显著改变了岩体温度场;由于交叉裂隙水流动传热,致使裂隙水流动区域等温线出现明显的断续态,从瞬态到稳态,岩体温度升高,温度梯度逐渐减小。对比正交裂隙岩体模型,当横裂隙向下倾斜,纵裂隙靠近热源时,裂隙岩体温度升高;对比非正交裂隙岩体模型,当横裂隙倾斜度不变,纵裂隙远离热源时,裂隙岩体温度降低。非正交裂隙出水口水温高于正交裂隙出水口水温,纵裂隙靠近热源时裂隙出水口水温高于纵裂隙远离热源时裂隙出水口水温;非正交裂隙岩体模型比正交裂隙岩体模型达到稳态所需要的时间更短,纵裂隙靠近热源时的模型比纵裂隙远离热源时的模型达到稳态所需时间更长。     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

米尺度裂隙岩体模型水流-传热试验的数值模拟分析

为了研究高放射性核废物地下处置库近场的水流-传热耦合问题,采用国内高放废物地下处置库预选场址--甘肃北山地区的花岗岩石块体,加工组合成米尺度的规则裂隙岩体模型,设置边界热源和裂隙水流,试验模拟裂隙水水流与传热之间的相互作用。作为该室内模型试验的前期理论研究,采用等效孔隙介质数值模型,着重分析了裂隙开度、裂隙流量和热源功率对流场和温度场的影响。在设定条件下,计算分析表明：热传导和裂隙水水流由热源作用初期的不耦合很快转化为耦合;不流动的裂隙水主要表现为热存储和热传导,而流动的裂隙水还引起流动传热和水与岩石之间的对流换热,使岩体温度场明显不同于单纯热传导的情况;如果保持裂隙水流量不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响不大;如果保持裂隙水流速不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响显著;热源功率越大,通过裂隙水的热流量越大,裂隙水压强越大,而当温度超过100 ℃时,裂隙水会因汽化而压强显著增大;加热7 d时,热量的输入和输出几乎相等,裂隙水流带走的热量接近热源供给的热量,模型系统基本达到了热平衡。     

裂隙贯通率对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为探讨裂隙的贯通率对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,应用所建立的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,针对裂隙和孔隙的贯通率不同的4种工况进行了二维有限元数值分析,考察了围岩中的温度、负的孔隙和裂隙水压力、地下水流速、孔隙及裂隙的渗透系数修正因子和应力的变化、分布情况。结果显示,由于裂隙贯通率的差异使得双重介质的刚度不同,引起岩体中应力状态及水平的改变,从而影响到孔隙、裂隙的孔隙率及渗透系数的量值,并导致孔隙水和裂隙水的压力大小、分布以及水流速度的变化     

岩体水力学基础(二)─—岩体水力学的基础理论

单裂隙水流立方定律是岩体水力学中最基本的．也是最重要的定理。本文从不变形平直等宽单裂隙水流运动定理开始，讨论了受应力作用岩体单裂隙、一组平行裂隙、一组正交裂隙以及岩体裂隙系统中水流运动规律，分析了单裂隙中水流渗透压力与裂隙变形之关系。运用水力学原理推导了岩溶单管道流定理，为岩体水力学模型研究奠定了基础。     

分布热源作用下单裂隙岩体三维水流-传热的半解析计算方法

针对高放射性核废物地下处置库近场饱和裂隙岩体环境,提出一种由分布热源、饱和单裂隙和两侧无限大岩石构成的三维水流-传热简化模型,建立了控制微分方程和基于拉氏变换域格林函数的积分方程;采用矩形单元把裂隙面域离散化,利用极坐标下的解析方法计算包含奇点的单元积分,利用数值方法计算分布热源和不包含奇点的单元积分,建立拉氏变换域的线性代数方程组,求解后,利用拉氏数值逆变换,计算任意时刻裂隙水和岩石的温度分布。对两个无内热源、流场确定的计算模型进行了计算,与仅考虑岩石沿裂隙面法向一维热传导的解析解进行了对比。计算分析了分布热源作用下饱和单裂隙岩体的三维水流-传热特征及其对裂隙水流速、岩石热传导系数和热源热流集度的敏感度。计算结果表明：与直接采用高斯数值积分相比,提出的解析法奇异积分精度较高;就裂隙水温度而言,单裂隙岩体三维水流-传热半解析计算方法与解析法得到的结果基本一致,但由于半解析计算方法考虑了岩石的三维热传导,使得裂隙水的上游温度较低,而下游温度较高;无分布热源作用时,岩石热传导系数越大,裂隙水温度越低;裂隙水流速越大,裂隙进水温度对裂隙水和岩石温度分布的影响越明显;由于受到裂隙水流动传热的作用,分布热源对裂隙水温度和岩石温度的影响在裂隙水流的下游区域比较显著。     

低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。     

On the heat transfer coefficient between rock fracture walls and flowing fluid

Two analytical solutions are derived to model the heated flow-through experiments for granite fractures in the literature. The first model, which assumes an identical/continuous temperature between the bulk fluid and fracture surfaces, represents an upper bound solution of water temperature in rock fractures. The second model including the empirical parameter of heat transfer coefficient is used to calculate the average heat transfer coefficient based on the available experimental data. The obtained heat transfer coefficients are smaller than that from the thermal boundary layer theory for flat plates, but larger than the previous estimates. A power function is fitted to describe the relation between heat transfer coefficient and flow velocity. Both models show that water temperature increases non-linearly along fracture plane.     

FDEM-TH3D: A three-dimensional coupled hydrothermal model for fractured rock

This paper proposes a three-dimensional coupled hydrothermal model for fractured rock based on the finite-discrete element method to simulate fluid flow and heat transport. The 3D coupled hydrothermal model is composed of three main parts: a heat conduction model for the rock matrix, a heat transfer model for the fluid in the fractures (including heat conduction and heat convection), and a heat exchange model between the rock matrix and the fluid in the fractures. Four examples with analytical solutions are provided to verify the model. A heat exchange experiment of circulating water in a cylindrical granite sample with one fracture is simulated. The simulation results agree well with the experimental results. The effects of the fracture aperture, fluid viscosity, and pressure difference on the heat exchange between the fluid and rock are studied. Finally, an application concerned with heat transport and fluid flow in fractured rock is presented. The simulation results indicate that the 3D fully coupled hydrothermal model can capture the fluid flow and temperature evolution of rocks and fluids.     

基于连续-非连续方法的裂隙破坏与相互作用研究

岩体内裂隙等非连续结构面对岩体的强度及变形等力学特性有着显著的影响,研究岩体裂隙起裂、扩展、相互作用和贯通机制,对工程岩体力学行为的表征和工程性能的评价十分重要。本文基于连续介质力学模型的离散元方法,通过考虑裂隙分布、模型加载条件及其与裂隙产状的关系,建立了一系列裂隙力学计算模型,研究了不同模型裂隙扩展演化特征和岩体破裂机制,分析了岩体裂隙扩展规律及其对岩体破坏路径和强度的影响,研究结果表明:（1）裂隙岩体模型加载条件下的破坏起裂点、最终贯通破坏特征及损伤分布受控于裂隙的产状及其与最大主压应力取向角度大小及围压大小。（2）裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙弱面在加载条件下其端部裂隙扩展、贯通破坏表现比较明显,反之,当裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致时,裂隙弱面被动影响裂隙模型内新生裂隙的萌生、扩展和贯通模式,自身未出现新的扩展破坏。（3）裂隙数目的增多和围压的增大会显著增加模型内部剪切裂缝的数量和模型破坏后的破碎程度,模型内部的损伤区域主要围绕破裂面呈滑移线型交叉分布,非破裂面区域损伤呈条带状X型分布。（4）裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙对岩体模型强度的弱化程度高于裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致的情况,而裂隙模型破坏后的残余强度则正好相反。     

A 2D coupled hydro-thermal model for the combined finite-discrete element method

Based on the combined finite-discrete element method (FDEM), a two-dimensional coupled hydro-thermal model is proposed. This model can simulate fluid flow and heat transfer in rock masses with arbitrary complex fracture networks. The model consists of three parts: a heat conduction model of the rock matrix, a heat-transfer model of the fluid in the fracture (including the heat conduction and convection of fluid), and a heat exchange model between the fluid and rock at the fracture surface. Three examples with analytical solutions are given to verify the correctness of the coupled model. Finally, the coupled model is applied to hydro-thermal coupling simulations of a rock mass with a fracture network. The temperature field evolution, the effect of thermal conductivity of the rock matrix thermal conductivity and the fracture aperture on the outlet temperature are studied. The coupled model presented in this paper will enable the application of FDEM to study rock rupture driven by the effect of hydro-thermo-mechanical coupling in geomaterials such as in geothermal systems, petroleum engineering, environmental engineering and nuclear waste geological storage.

     

Modeling 3D thermal fracture propagation by transient cooling using virtual multidimensional internal bonds

Thermal fracturing can play an important role in development of unconventional petroleum and geothermal resources. Thermal fractures can result from the nonlinear deformation of the rock in response to thermal stress related to cold water injection as well as heating. Before the rock reaches the final failure stage, material softening and bulk modulus degradation can cause changes in the thermo‐mechanical properties of the solid. In order to capture this aspect of the rock fracture, a virtual multidimensional internal bond‐based thermo‐mechanical model is derived to track elastic, softening, and the failure stages of the rock in response to the temporal changes of its temperature field. The variations in thermo‐mechanical properties of the rock are derived from a nonlinear constitutive model. To represent the thermo‐mechanical behavior of pre‐existing fractures, the element partition method is employed. Using the model, numerical simulation of 3D thermal fracture propagation in brittle rock is carried out. Results of numerical simulations provide evidence of model verification and illustrate nonlinear thermal response and fracture development in rock under uniform cooling. In addition, fracture coalescence in a cluster of fractures under thermal stress is illustrated, and the process of thermal fracturing from a wellbore is captured. Results underscore the importance of thermal stress in reservoir stimulation and show the effectiveness of the model to predict 3D thermal fracturing. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.