高水力梯度和大雷诺数情况下交叉裂隙中水力特性的试验研究

赵士鹤 彭文祥

摘 要：设计制作一系列“一进两出”交叉裂隙试样，通过自主设计的高精度渗流测试系统中完成试验，发现在高水力梯度和大雷诺数条件下，交叉角处形状会对裂隙中水力特性产生严重影响。发现“夹角模式”会影响两条出水裂隙流量分配比（），并给出了影响分布域。

关键词：非线性；交叉裂隙；水流分配；夹角模式；交叉角度

中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0088-03

Experimental Study on Behaviors of Fluid Flow in the Intersecting

Fractures at a High Hydraulic Gradient and a High Reynolds Number

ZHAO Shihe1，2 PENG Wenxiang1，2

（1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring， Central South University，Changsha Hunan 410083；2. Department of Geological Engineering， School of Geosciences and Info-physics， Central South University，Changsha Hunan 410083）

Abstract： Fluid flow tests were conducted on a series of one-inlet-two-outlet specimens with fracture intersections using experimental system for the fluid flow test. It was demonstrated that the intersection shapes can enhance the strong nonlinearity of the fluid flow at a high Reynolds number and a high hydraulic gradient compared with that in natural cases. The angle pattern， which is represented by the case of intersecting fractures， affects the ratio of the outlet flow rate distribution （

這3种“夹角模式”下，当J为100～101量级、Re为104～105量级时，水力梯度J和流量Q存在强非线性关系，且成二次函数关系，拟合曲线的相关系数R2>0.99，说明J和Q符合Forchheimer定律，这也与李博通过试验分别在以上3种“夹角模式”下所得结论一致。

2.2 “夹角模式”对[ε]的影响趋势

图3（a）给出了不同[β]取值情况的对比；图3（b）给出了不同[α]取值情况的对比。为了便于观察[ε]的变化趋势，将图3（b）中[ε]轴坐标范围设置得比图3（a）小。

由图3（a）可以看出，当[β]恒定时，[ε]关于[α]成不规则对称分布。当[β]<90°时，[ε]在[α]<90°时的平均递增速率小于[ε]在[α]>90°时的平均递减速率；当[β]>90°时，[ε]在[α]<90°时的平均递增速率大于[ε]在[α]>90°时的平均递减速率。正因如此，导致了当[β]恒定时，[ε]关于[α]成不规则对称分布。图3（b）反映当[α]取不同定值时，随着[β]减小，[ε]保持递增，且当[β]≤30°时，[ε]剧增。

2.3 [ε]与[α]、[β]的关系

图4是e为2.108～2.126mm、Rr为40mm、J为17情况下，[ε]、[α]、[β]三维曲面关系。由图4可以看出，[ε]曲面是非闭合曲面，关于[α]=90°面成不规则对称分布，当45°≤[α]≤105°时[ε]曲面隆起较大。图5是图4的俯视图，反映了[ε]在[α]-[β]平面的分布情况。从图5可以看出，当45°≤[α]≤105°、[β]≤60°时[ε]值较大，这与图4中[ε]曲面在45°≤[α]≤105°时隆起较大一致。由此可以推测，当[α]=90°、[β]趋近0°时，[ε]值趋近无穷大。原因是：在45°≤[α]≤105°、[β]≤60°区域内，交叉角处形状对水流分配的影响显著。

3 结论

本试验中，共采集了51组“一进两出”“夹角模式”的试验数据。全面系统分析了[α]、[β]对[ε]的影响。通过实验可以得出以下结论。

①J和Q具有强非线性。

②当[β]恒定时，[ε]关于[α]成不规则对称分布，当[β]≤60°、45°≤[α]≤ 105°时对[ε]影响较大，且[β]越小、[α]越接近90°，影响越显著；当[α]=0°或180°、0°<[β]<180°时对[ε]无影响。

③[ε]在[β]≤60°、45°≤[α]≤ 105°时取较大值，原因是该区域内交叉角处形状对裂隙中水流分配影响显著；根据[ε]随[α]、[β]的增长趋势，可以推测当[α]= 90°且[β]趋近0°时，[ε]值接近无穷大。

参考文献：

[1]Trimmer D，Bonner B，Heard H C，et al. Effect of pressure and stress on water transport in intact and fractured gabbro and granite[J]. Journal of Geophysical Research Solid Earth，1980（B12）：7059-7071.

[2]Long JCS， Billaux DM. From field data to fracture network modeling： An example incorporating spatial structure[J]. Water Resources Research， 1987（7）：1201-1216.