1、摘要硕 士 学 位 论 文粗糙单裂隙高速非达西渗流特性研究I摘要摘 要我国西南地区水电资源丰富，是国家未来一段时间大规模开发的重点，域内多高山峡谷，喀斯特地貌分布广泛，深部岩体中裂隙较发育，工程建设过程中多次发生高压隐伏水突水突泥事故。如何解决岩溶地区含高压隐伏水体深部裂隙岩体地层中修建大型水电隧洞工程中遇到的突水灾害问题，成为我国水电及岩土工程领域的迫切问题。岩体的天然裂隙结构与渗流行为异常复杂，岩体裂隙渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高 的 点问题。 的工程 中，大多 西渗流定 岩体突水量。然 大量 学工程 ，特定 岩体裂隙中的渗流 西定 ，为高流 岩体curre
2、ncy1裂隙中currency1结构“渗流的及渗流机制，文开ficurrency1fl裂隙 西渗流内 ， 流体学“currency1fl裂隙渗流 过程”行模， currency1岩体裂隙高 西渗流的 规及特，要工如 1“岩体裂隙 西渗流的”fi及 成”行 结，“裂隙岩体currency1裂隙特及“裂隙渗流的”行 ，“ 描述currency1裂隙高 西渗流的程”行分 2设 制 currency1 的岩体currency1fl裂隙 ， ”岩体高 西渗流 ， 成高水 currency1 裂隙高 西渗流 ， 渗流水 与渗流流 间 。 结 高渗压 currency1岩体渗流规 定 ， 次 分布， 到 结
3、的流量 Forchheimer II摘要3 内模型，建 的currency1裂隙模型， 流体 Fluent，“currency1裂隙渗流 过程”行模，分 结与内 成 较 ， Fluent 模currency1裂隙高 西渗流的 ，“ 结”行 分 ，结裂隙结构“ 西渗流特 的，为工程 中突 水量 重要 。currency1裂隙渗流、高 西渗流、JRC、高渗流 、Fluent模 、Forchheimer程IIIABSTRACTABSTRACTSouthwest China is abundant hydropower resources, and this area is the focus oft
4、he next period of time large-scale development of the region. Such area widespreadKarst Landform areas, more mountains and canyons, deep rock formations there aremany cracks, and in the construction process high-pressure concealed water and mudinrush accident occurred repeatedly. How to solve the pr
5、oblem of water gush disasterbuilding large hydropower tunnel project in such deep fractured rock formationscontaining concealed water with high pressure karst areas has become an urgentproblem encountered in hydropower construction and geotechnical engineering field.Flow behavior in the Natural frac
6、tured rock mass structure is very complex, fracturedrock seepage development mechanism and quantitative description of the mechanismhas been the great concern difficulty of geotechnical, mining, geology, and oil and gasprojects. In previous engineering practice, the Darcys Law was used to calculate
7、theamount of gush water. Now, however, a large number of scientific experiments andengineering examples show that the seepage of fractured rock masses is no longerfollow Darcys Law under specified conditions. So in order to explore and study theinfluence of the roughness of rock masses rough fractur
8、e face to the high-speed seepageflow and seepage mechanism, this paper carried a single rough fracture non-Darcy flowphysical tests indoor, simulated the single rough fracture seepage testing process basedon the computational fluid dynamics method, and explored the evolution and movementcharacterist
9、ics of the high-speed non-Darcy flow in the rough rock fracture. The mainwork is as follows:1) Summarized the latest research progress and results of the non-Darcy seepageflow in the fractured rock masses, studied and discussed fractured rock rough fracturesurface characteristics and their impact on
10、 fracture seepage, analyzed and studied twomotion equations that can be used to describe the rough fracture surface high-speednon-Darcy flow.IVABSTRACT2) Designed and manufactured imitated rock rough single fracture test pieces inline with the joints different roughness, developed and improved a hig
11、h-speed non-Darcy flow experimental device, completed the high speed non-Darcy flow test ofdifferent roughness under high hydraulic gradient by the help of the device, andmeasured the nonlinear relationship curves the different joints roughness coefficientbetween the flow hydraulic gradient and flow
12、 velocity. The results showed that theseepage motion ruler of the hypertonic pressure in the rough rock fracture deviating theCubic Law, basically conform the power function curve and quadratic curve distributionand derived calculating the seepage flow empirical formula and Forchheimer empiricalform
13、ula.3) According to the physical experiment Model, established rough fracture surfacemodels, carried on the numerical simulation of the rough fracture seepage test processwith the computational fluid Fluent software. Compared the results of numericalsimulation with the physical test results, confirm
14、ed that Fluent software being used tosimulate the high-speed non-Darcy flow in the rough fracture surface is correct. Fitanalysis the results and summarize the influence of the fractured face structure to thenon-Darcy flow dynamic, thus for important reference in the prediction of water inflowduring
15、 the engineering practice.Keywords: Rough fracture seepage flow, high-speed non-Darcy seepage, JRC, High-speed seepage flow Experimental, Fluent simulation, Forchheimer EquationV目 录摘 要.LXIIIABSTRACT.LXIII目 录.LXIII一章 绪论.631.1 课题目的 意义.631.2 国内外现状.631.2.1 论”fi.631.2.2 现状.631.2.3 模现状.631.3 文内容及.63章 裂隙岩体
16、渗流 及模 论.632.1 裂隙岩体渗流的 论.632.1.1 裂隙渗流定 的推导.632.1.2 定 的修 .632.1.3 高 西渗流产生机及 西 .632.1.4 高 西渗流程.632.2 裂隙岩体渗流 论.632.2.1 岩体裂隙特 的.632.2.2 岩石裂隙壁currency1 的.632.2.3 currency1岩石裂隙隙宽的.632.3 裂隙岩体渗流模 论.632.3.1 流体学模求解的.632.3.2 流体模 介绍.632.4 章小结.63三章 岩体currency1裂隙渗流 .633.1 目的.633.2 内容.633.3 .633.3.1 岩体currency1fl裂隙
17、 的制.633.3.2 介绍.633.3 案.633.3.1 量.633.3.2 步骤.633.4 成整.633.4.1 低流渗流 结.633.4.2 高currency1裂隙渗流 结.63VI3.5 结.633.6 章小结.63四章 currency1fl裂隙 西渗流模.634.1 FLUENT求解的与步骤.634.1.1 模.634.1.2 求解步骤.634.2 currency1fl裂隙渗流 模.634.2.1 currency1fl裂隙 模型的建.634.2.2 模 结.634.2.3 流场云图分 .634.3 章小结.63五章 成 的分 与 论.635.1 currency1裂隙渗流
18、 成分 与 论.635.1.1 fl宽渗流量与水 的 分 .635.1.2 平均流与水 间的 分 .635.2 模 成与分 .635.2.1 Forchheimer程 .635.2.2 Izbash程 .635.2.3 Forchheimer程 Izbash程 “ .635.3 模 结与 成“ 分 .635.4 西 分 .635.4 章小结.63六章 结论与fi望.636.1 结.636.2 问题与fi望.63 文献.63致 谢.63VII一章 绪论一章 绪论1.1 课题目的 意义随着近年来一 列大型特大型水水电工程（如小湾水电站、锦屏一级、 级水电站、乌东德水电站等工程的开工建设，深埋隧洞工
19、程建设引起广泛 。资料显示这些 建 建的地 水电隧洞具有鲜 的” 长、埋 深 大、地 复杂、渗压差较大等特点，与此 时， 西部地区修建的路、铁路隧道工程亦呈现出此种趋势。随着地 开 与工程建设规模的扩大，裂隙岩体渗流破坏灾害成为工程 论界高 的重要问题。 工程事故统 发现，我国大部分隧洞突 水事故、岩体边坡失稳、水电工程大坝失事、煤矿瓦斯泄露事故的发生与岩体的渗透 密切 。此外，开 地 沉陷、水库蓄水渗透诱发地震、高放射 核废料与污染的地质封存 CO2地 储存等均涉及岩体裂隙渗流 、 -渗流 互 等问题。因此，裂隙岩体的渗流 质“解决渗流引起的重大工程问题具有重要意义1。天然岩体渗透 要由两部
20、分组成岩块的渗透 与宏观裂隙（包括fl裂隙裂隙网络的渗透 。与宏观裂隙 ，岩块的渗透 很低，渗透 约为10-8量级， 虑。 众多工程灾害与宏观裂隙的渗透 质直接，因 人们更多地 意 中 宏观fl裂隙 裂隙网络的渗流 质 ，发fi构建 多裂隙岩体渗流的水 模型，包括论分 模型 模型然 ，随着岩体渗流问题的 步深 ，人们发现岩体裂隙渗流 存 多 解决的 题。1.2 国内外现状1856年国学 西 过“ 容 内 中水的渗透 ”行，发现渗流 与水 成 ，出 的 西定 开 ， 一直是 种渗流 的 论。 1863年， 布 （Dupuit 地 水流1大学硕士学位论文时 发现 流较高的 存 成的 。1901 年
21、，Forchheimer 过 西流的存 ，结 出 次“渗流规 ”行描述， 西渗流的存 2。现 ，来多的学 过 工程资料成“ 西渗流特 ”行。 发生 的 ，西渗流的 分为两大低 西渗流 高 西渗流，低 西渗流 西渗流的 currency1，目 油气“工程中较多 高 西渗流 统中要为是随着fifl 大，流” 流导致的，是裂隙渗流的点 一。文“ 要“发生 岩体裂隙内的高 西渗流。1.2.1 论”fi渗流的 是“土体”行的。“岩体中渗流问题的起步土中渗流，岩体渗流 要 多”介质渗流的成，设为均渗流问题”行 虑的。岩体因内部裂隙的分布大小 等，具有 显的 均质 ，裂隙结构 ”隙结构的存 的差 ，”隙结构
22、 差 大， 一量级， 裂隙结构 一 显小两 次”隙结构 较“ 整体较小，观结构， 裂隙结构 有区域较大，长 较大。因此裂隙渗流与”隙介质渗流存 很大的 。外，由裂隙岩体渗流呈 异 “岩体渗透 的因较多， 定量定 种因的 大小等因， “裂隙岩体渗流问题的较 。直 国的Malpasset 坝 坝 意大 Vajiont 坝 坡事故的发生，这两起事 均 成生 产 失 重，震 时的岩土工程界，人们 开 意 到“裂隙岩体中渗流规 的 ， 开 深 地“岩体渗流规 ”行区分岩体渗流与土体渗流的 3。fl 裂隙是岩体裂隙网络的 构成fl ， “裂隙岩体， 整岩石的渗透 很小， 裂隙渗流中 “岩体渗透 的。岩体中
23、的裂隙网络由平行 的fl裂隙组成，fl裂隙渗流特 决定水流 岩体裂隙中的 渗透特，是”行裂隙岩体渗透论的 模型。2一章 绪论 岩体渗流 很多具有 的成，如裂隙岩石中的渗流 、裂隙岩石渗透特 等 的发 ，是岩体渗流领域的论 ，特 是水 裂隙网络中的 岩体渗流的推广到裂隙网络水学 ， 现“裂隙网络渗流的 ， 岩体渗流论的发fi 大地” 水电工程建设的工程 水平， 高坝工程建设 大的成4。西国家“岩体渗流的开 ， 论成 突出，推成岩体渗流的论高 。中成 大的1965年，国大学 斯 （LBL的Snow”行的 平板裂隙模型， 博士论文中 流体学维-斯托 斯（N-S推导 到想 fl裂隙的渗流规 ， 的定 ，奠定岩体裂隙渗流特 的 ，后来大多岩体渗流领域的都是 该定 继续开fi的5。 为Jgeq 123 （1-1中，q 裂隙内fl位宽 的过流量，g为重 ，e是裂隙隙宽，是与水温有 的水流粘滞 ，J是水 。 根 西定 ，想 fl裂隙渗透 K 示为123geK （1-2我国开fi岩体渗流学的起步较，的学 包括田开铭、张有天等，发 的论文较 。 十世纪八十年 后，国内的岩体渗流”突飞猛”的发fi阶段， 种论成纷纷 现， 国内岩体渗流成 ，具有 的学 有潘家铮、毛昶熙、宝玉、耿 勤等，国内裂隙岩体渗
