【摘 要】
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裂隙渗流是地下设施建设、地下水开采等工程中必须高度重视的工程问题,天然裂隙面具有显著的粗糙特性,使得裂隙水流具有高度的非线性特征。开展不同相对粗糙度条件下单裂隙水流规律研究,可以揭示岩石裂隙介质渗流机理,同时也为岩体裂隙系统地下水运动规律研究提供理论支持。本文基于Barton提出的标准JRC模型重构了具有不同相对粗糙度的裂隙几何模型,以尼古拉兹实验为校对标准优选了各个流态的水流粘度模型。利用计算流
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裂隙渗流是地下设施建设、地下水开采等工程中必须高度重视的工程问题,天然裂隙面具有显著的粗糙特性,使得裂隙水流具有高度的非线性特征。开展不同相对粗糙度条件下单裂隙水流规律研究,可以揭示岩石裂隙介质渗流机理,同时也为岩体裂隙系统地下水运动规律研究提供理论支持。本文基于Barton提出的标准JRC模型重构了具有不同相对粗糙度的裂隙几何模型,以尼古拉兹实验为校对标准优选了各个流态的水流粘度模型。利用计算流体力学软件Fluent模拟了水流在粗糙单裂隙中的流动过程;探寻了裂隙水流流态随裂隙相对粗糙度变化的规律;分析了相对粗糙度对水流沿程阻力系数和临界雷诺数的影响,基于数值模拟结果对单裂隙流动的立方定律和等效渗流系数进行了修正。主要研究工作如下。（1）基于不同流态的理论和经验公式,采用不同粘度模型模拟粗糙圆管内水流从层流逐渐发展完全紊流过程中水流沿程阻力随相对粗糙度和雷诺数的变化规律,以经典的尼古拉兹实验为校对标准,优选了各个流态的粘度模型。（2）基于Barton标准剖面线,选用合理的间距,重构了具有不同相对粗糙度的裂隙几何模型并转化为流体力学计算网格,研究了流体运动模拟结果对网格尺寸的敏感性,优选出兼具较高计算效率和计算精度的粗糙单裂隙流体力学计算网络。（3）基于数值模拟结果绘制了不同相对粗糙条件下单裂隙渗流水流沿程阻力系数与雷诺数之间的对数坐标关系曲线,分析了各个流态域水流运动的水头损失机理,建立了裂隙相对粗糙度（Δ/d）与层流阻力系数（k）、紊流过渡区-紊流粗糙区转戾临界雷诺数(Ref4)及紊流粗糙区水流沿程阻力系数（λ）之间的函数关系式。（4）开展了粗糙度单裂隙非线性流机理研究,利用Forchherimer公式对不同相对粗糙度条件下裂隙平均流速与水力梯度进行曲线拟合,在统计分析130多种工况的基础上,建立了相对粗糙度（Δ/d）与层流-紊流转戾临界雷诺数(Ref1)之间的函数关系式。（5）研究了具有显著粗糙特性裂隙的水流运动规律,在统计分析相对粗糙度（Δ/d）与裂隙渗流单宽流量修正系数（cq）及等效渗流系数修正系数（ck）的基础上,建立了基于相对粗糙度的裂隙渗流立方定律和等效渗流系数修正公式。
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