高水力梯度和大雷諾數(shù)情況下交叉裂隙中水力特性的試驗(yàn)研究

趙士鶴 彭文祥

摘 要：設(shè)計(jì)制作一系列“一進(jìn)兩出”交叉裂隙試樣，通過自主設(shè)計(jì)的高精度滲流測試系統(tǒng)中完成試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高水力梯度和大雷諾數(shù)條件下，交叉角處形狀會對裂隙中水力特性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。發(fā)現(xiàn)“夾角模式”會影響兩條出水裂隙流量分配比（），并給出了影響分布域。

關(guān)鍵詞：非線性；交叉裂隙；水流分配；夾角模式；交叉角度

中圖分類號：TU45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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種“夾角模式”下，當(dāng)J為100～101量級、Re為104～105量級時(shí)，水力梯度J和流量Q存在強(qiáng)非線性關(guān)系，且成二次函數(shù)關(guān)系，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2>0.99，說明J和Q符合Forchheimer定律，這也與李博通過試驗(yàn)分別在以上3種“夾角模式”下所得結(jié)論一致。

2.2 “夾角模式”對[ε]的影響趨勢

圖3（a）給出了不同[β]取值情況的對比；圖3（b）給出了不同[α]取值情況的對比。為了便于觀察[ε]的變化趨勢，將圖3（b）中[ε]軸坐標(biāo)范圍設(shè)置得比圖3（a）小。

由圖3（a）可以看出，當(dāng)[β]恒定時(shí)，[ε]關(guān)于[α]成不規(guī)則對稱分布。當(dāng)[β]<90°時(shí)，[ε]在[α]<90°時(shí)的平均遞增速率小于[ε]在[α]>90°時(shí)的平均遞減速率；當(dāng)[β]>90°時(shí)，[ε]在[α]<90°時(shí)的平均遞增速率大于[ε]在[α]>90°時(shí)的平均遞減速率。正因如此，導(dǎo)致了當(dāng)[β]恒定時(shí)，[ε]關(guān)于[α]成不規(guī)則對稱分布。圖3（b）反映當(dāng)[α]取不同定值時(shí)，隨著[β]減小，[ε]保持遞增，且當(dāng)[β]≤30°時(shí)，[ε]劇增。

2.3 [ε]與[α]、[β]的關(guān)系

圖4是e為2.108～2.126mm、Rr為40mm、J為17情況下，[ε]、[α]、[β]三維曲面關(guān)系。由圖4可以看出，[ε]曲面是非閉合曲面，關(guān)于[α]=90°面成不規(guī)則對稱分布，當(dāng)45°≤[α]≤105°時(shí)[ε]曲面隆起較大。圖5是圖4的俯視圖，反映了[ε]在[α]-[β]平面的分布情況。從圖5可以看出，當(dāng)45°≤[α]≤105°、[β]≤60°時(shí)[ε]值較大，這與圖4中[ε]曲面在45°≤[α]≤105°時(shí)隆起較大一致。由此可以推測，當(dāng)[α]=90°、[β]趨近0°時(shí)，[ε]值趨近無窮大。原因是：在45°≤[α]≤105°、[β]≤60°區(qū)域內(nèi)，交叉角處形狀對水流分配的影響顯著。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)中，共采集了51組“一進(jìn)兩出”“夾角模式”的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。全面系統(tǒng)分析了[α]、[β]對[ε]的影響。通過實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論。

①J和Q具有強(qiáng)非線性。

②當(dāng)[β]恒定時(shí)，[ε]關(guān)于[α]成不規(guī)則對稱分布，當(dāng)[β]≤60°、45°≤[α]≤ 105°時(shí)對[ε]影響較大，且[β]越小、[α]越接近90°，影響越顯著；當(dāng)[α]=0°或180°、0°<[β]<180°時(shí)對[ε]無影響。

③[ε]在[β]≤60°、45°≤[α]≤ 105°時(shí)取較大值，原因是該區(qū)域內(nèi)交叉角處形狀對裂隙中水流分配影響顯著；根據(jù)[ε]隨[α]、[β]的增長趨勢，可以推測當(dāng)[α]= 90°且[β]趨近0°時(shí)，[ε]值接近無窮大。

參考文獻(xiàn)：

[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.