裂隙模型，模型的裂隙面与试验试件裂面起伏致，节理粗糙度系数也完全致利用商业流体计算数值软件对粗糙裂隙渗流试验过程进行模拟，对比分析数值模拟计算结果和试验结果，将得到渗流量渗流流速与水力梯度之间的关系通过流体运动经验方程进行拟合分析，从而揭示粗糙裂隙渗流的非线性特性规律，分析岩体裂隙的特性对裂隙岩体渗流规律的影响作用。本文研究的技术路线如图所示第章绪论粗糙单裂隙高速非达西渗流特性研究裂隙结构分析试验装置研制粗糙裂隙板进出水端帽水压传感器打印技术不同节理粗糙度裂隙试件数字化剖面轮廓曲线粗糙单裂隙高速非达西渗流试验选择湍流计算模型选定求解器软件建模剖分流体计算软件模拟求解文件接口岩体裂隙面水力特性高速非达西渗流运动规律粗糙裂隙非达西流特性分析分析讨论改进光滑平板试验装置数值模拟室内试验计算流体力学图技术路线流程图首先，对裂隙岩体的基本理论进行研究，包括裂隙立方定律修正立方定律裂隙渗流达西流向非达西流的转化非达西影响系数和高速非达西渗流的描述方程的研究讨论，岩体裂隙特性的研究以及数值模拟计算方法的探讨然后，根据理论研究成果建立拟岩体粗糙裂隙模型，并加工制作等比例的裂隙试件，在室内实验室进行粗糙裂隙渗流试验研究建立粗糙裂隙的数值模型，利用数值模拟计算软件对粗糙裂隙水流进行模拟计算。根据试验模拟结果和数值模拟计算结果，采用控制单变量法进行拟合分析，获得用于粗糙裂隙非达西渗流计算的经验公式，将试验成果和数值模拟结果进行对比分析讨论，分析两种研究方法的优势，推导出判断粗糙裂隙非达西渗流运动强弱的非达西影响系数计算公式，通河海大学硕士学位论文过以上研究揭示粗糙岩体裂隙的高速非达西渗流运动特性。第二章裂隙岩体渗流试验研究及数值模拟基本理论第二章裂隙岩体渗流试验研究及数值模拟基本理论裂隙岩体渗流研究在近几十年直是岩石力学领域研究的热点，从传统的立方定律到偏离线性达西定律的非线性渗流问题研究，裂隙岩体渗流研究逐步进入深化研究阶段。尤其随着生产力的发展工程建设水平的日益提高，大规模深埋隧洞和高蓄水量水坝水电工程的建设，对岩体渗流研究提出了越来越严峻的挑战。因此，如何从理论方法试验研究和数值分析手段深入开展岩体粗糙裂隙高速渗流研究，以解决日益复杂的裂隙渗流问题成为岩土工程师们亟需解决的科研难题。裂隙岩体渗流的基本理论研究岩体裂隙渗流问题的研究最早出现在从十九世纪的五十年代，但起初并不被重视，直到年法国拱坝溃坝和年意大利拱坝滑坡两起重大工程事故的发生，岩体裂隙渗流问题才得到岩土工程界专家学者们的重视。岩体裂隙渗流因为与传统的土体渗流学介质连续介质存在很大的不同，所以在研究学者中也有称其为岩石水力学。研究裂隙岩体的渗流问题，必须首先对单裂隙的水力特性进行研究，因为单裂隙是构成岩体裂隙网络的基础。另外，岩石的裂隙由于其产状不同，另外受到外界环境应力温度溶蚀风化等作用，裂隙的几何物理性质特性十分复杂。为了方便研究，学者们便将裂隙结构进行抽象简化，比如早期的光滑平板裂隙渗流研究便是基于此思想。裂隙渗流立方定律的推导早期的研究学者们在研究岩体裂隙渗流过程中考虑对单裂隙模型进行简化抽象，引用水力学中二平行板间水流公式，采用物理实验方法并基于稳定层流进行理论推导，得到了裂隙渗流量经典的计算公式立方定律。裂隙立方定律起初是由光滑平行板构成裂隙进行水流试验得到的，它的试验模型是基于裂隙光滑平直无限长假定下进行的，裂隙间水流为定常层流且裂隙内流体假定为不可压缩粘性水流，裂隙隙宽为常数。模型计算示意图如图所示。河海大学硕士学位论文图裂隙层流示意图由裂隙中的水流为均质粘性也不可压缩，所以水流流动仍符合水力学的方程，即式中，为流速分量为平板对水流的作用力，在裂隙水流中为水流压力为与水流温度相关的水流运动粘滞系数。研究学者们起初在进行光滑平板试验的时候，控制水流流速较小，平行板裂隙中的的水流流态仍为层流状态，因此在裂隙中的方向和方向垂直于裂隙平面水流流速为，即。由方向水力梯度最大，水流流速的研究可简化至方向，且平行板裂隙隙宽固定不变，沿水流方向各点也是常值，所以对于恒定水流，方程可改写为由于在层流流态下裂隙内水流流速较小，可以忽略其流速水头，则其总水头即为位置水头和压力水头之和，即对式进行简化得裂隙隙宽为恒定值，则水流水力梯度为常值。由水流的粘性力，在水流与裂隙壁面接触处，水流的流速为，即当时对式进行积分得第二章裂隙岩体渗流试验研究及数值模拟基本理论由式，流速按抛物线分布，对式进行积分，得到通过裂隙的单位宽度上裂隙流量为式即为著名的立方定律，其表明通过单位宽度光滑裂隙的流量与裂隙的宽度的次方成正比。因为立方定律是基于线性层流得来，所以也可以将立方定律改写成线性达西定律的形式，即式中，为光滑平板裂隙的水力传导系数，联合式，可得由，对式进行改写成如下形式式中为水流动力粘滞系数，其中则为裂隙内在水力传导系数，与裂隙隙宽的平方成线性关系。立方定律是根据缝隙模型按照光滑平板裂隙内水流为层流流态推导出来的，但立方定律是有适应条件的，后来学者们在进行光滑平板试验时发现，在水流雷诺数时，即裂隙隙宽不大于时，裂隙内水流为层流状态，立方定律成立若调整裂隙的隙宽至大于的时候，在较大的水力梯度条件下，裂隙内水流进入由层流向紊流转变的过渡区，此时立方定律不成立。立方定律的修正在现实工程中，实际岩石裂隙壁面几乎都是粗糙的，裂隙壁面起伏不平，有很多凸起，致使裂隙中间的水流流线为曲线不再是直线，已经不属于平行层流流河海大学硕士学位论文态，或称为非平行流，不再满足立方定律的计算条件，此时若仍采用基于线性达西定律的立方定律进行计算，误差较大。为此学者们对粗糙裂隙进行了大量的渗流试验研究，发现粗糙裂隙的粗糙度绝对起伏度和裂隙隙宽的比值对裂隙渗流的过流能力有很大的影响。研究学者们基于试验分析，在立方定律基础上加入粗糙度修正系数，提出了立方定律的修正公式式中为针对裂隙粗糙程度给出的修正系数。诸多学者根据粗糙裂隙渗流试验研究，给出了粗糙度修正系数的不同表达式。提出，提出，速宝玉提出，也得到了与以上相似的结论，其中，可以看出学者将粗糙度修正系数与裂隙面绝对粗糙度及裂隙隙宽关联，引入裂隙的几何结构特性。以上这些公式均是基于立方定律进行修正得到，除了上述修正公式以外，和等许多学者根据粗糙裂隙水力特性其他因素的研究，通过试验和理论研究等手段提出了各自的关于立方定律修正公式渗流量计算的经验公式和半经验公式，但是这些修正公式在实际运用过程中存在较多不便，所以应用并不是很普及。以上学者提出的理论公式对于岩体渗流理论的发展起到了极大的促进作用，有些经验公式在实际运用中得到了很大的推广，但当前对于粗糙裂隙内高速非达西流运动特性认识还不充分，还需要进步开展深入的探索和研究工作。高速非达西渗流产生机理及非达西影响系数随着深埋隧洞工程建设不断向长大深趋势发展，在工程建设过程中遇到的各种各样岩体裂隙渗流紊流流动问题越来越多。紊流流动和层流流动是两种基本的但截然不同的流态。雷诺数是判别紊流和层流运动的重要参数。分类号学号密级无硕士学位论文粗糙单裂隙高速非达西渗流特性研究指导教师姓名申请学位级别工学硕士专业名称桥梁与隧道工程论文提交日期年月论文答辩日期年月日学位授予单位河海大学学位授予日期年月答辩委员会主席论文评阅人中国南京年月基于蒸发作用的非饱和裂隙土裂隙发育规律研究陈昊海河海大学分类号中图法密级无论文作者姓名学号单位河海大学论文中文题名粗糙单裂隙高速非达西渗流特性研究论文中文副题名无论文英文题名论文英文副题名无论文语种汉语论文摘要语种中英论文页数页论文字数万论文主题词粗糙裂隙渗流高速非达西渗流高速渗流试验模拟方程申请学位级别工学硕士专业名称桥梁与隧道工程研究方向深埋隧洞岩体裂隙渗流指导教师姓名倪小东导师单位河海大学土木与交通学院论文答辩日期年月日摘要摘要我国西南地区水电资源丰富，是国家未来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直是岩土矿业地质石油及天然气工程高度关注的难点问题。在以往的工程实践中，大多采用线性达西渗流定律计算岩体突水量。然而大量科学试验和工程实例表明，特定条件下岩体裂隙中的渗流已经不再遵循达西定律，所以为了探究高流速下岩体粗糙裂隙中粗糙结构面对渗流的影响及渗流机制，本文开展了粗糙单裂隙非达西渗流室内物理试验，并基于计算流体力学方法对粗糙单裂隙渗流试验过程进行数值模拟，探讨了粗糙岩体裂隙高速非达西渗流的演化规律及运动特征，主要工作如下对岩体裂隙非达西渗流的研究进展及最新成果进行归纳总结，对裂隙岩体粗糙裂隙面特征及其对裂隙渗流的影响进行了探讨，对可用于描述粗糙裂隙面高速非达西渗流的运动方程进行分析研究设计制作了符合不同节理粗糙度的拟岩体粗糙单裂隙试件，改进了岩体高速非达西渗流试验装置，并用其完成了高水力梯度下不同粗糙度裂隙高速非达西渗流试验，获取了渗流水力梯度与渗流流速之间非线性关系曲线。试验结果表明高渗压下粗糙岩体渗流规律偏离立方定律，基本符合幂函数曲线和二次曲线分布，得到满足试验结果的流量计算经验公式和经验公式依据室内物理模型，建立相应的粗糙裂隙面模型，基于流体计算软件，对粗糙裂隙渗流试验过程进行数值模拟，将数值分析结果与室内物理试验成果比较验证，证实了软件用于模拟粗糙裂隙面高速非达西渗流的正确性，对计算结果进行拟合分析，总结裂隙结构面对非达西渗流特性的影响，为工程实践中突涌水量预测提供重要参考。关键词粗糙裂隙渗流高速非达西渗流高速渗流试验模拟方程,