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三维裂隙网络线单元渗流模型及其校正的开题报告一、选题背景随着地下水资源的严重缺乏和对地下水资源管理和保护的需求日益迫切，渗流模型成为评估地下水资源量和保护地下水环境的重要工具。
然而，由于地下水流动过程的复杂性和不确定性，传统的渗流模型往往难以准确地描述地下水流动过程。
因此，研究新的渗流模型具有重要的意义。
在地下水流动中，地下岩石的裂隙是水流通道的重要构成部分。
因此，研究裂隙网络渗流模型具有重要的意义。
三维裂隙网络线单元渗流模型是相对新的渗流模型，它将岩石裂隙网络化为线单元，将裂隙间的渗透系数表示为线单元间的联系系数，从而准确地描述了裂隙网络的渗流过程。
然而，该模型存在一些不足，如渗透系数的计算过于简化、模型参数的获取困难等问题。
二、研究目的本课题旨在构建三维裂隙网络线单元渗流模型，并通过实际案例对其进行校正，以提高模型的可靠性和准确性。
三、研究内容1. 建立三维裂隙网络线单元渗流模型，并分析其原理和特点。
2. 根据实际案例，获取模型参数，并构建模型。
3. 通过数值模拟，对模型进行校正，提高模型的可靠性和准确性。
四、研究方法1. 建立三维裂隙网络线单元渗流模型，采用Matlab等数学软件进行编程模拟。
2. 根据实际案例，采用随机游走和采样试验等方法获取模型参数。
3. 通过数值模拟，对模型进行校正，采用有限元法、有限差分法等数学工具进行模拟分析。
五、研究意义通过研究三维裂隙网络线单元渗流模型及其校正，可以：1. 提高渗流模型的计算精度和可靠性，为地下水资源管理和保护工作提供科学依据。
2. 探究地下水流动过程和岩石裂隙结构之间的关系，为水文地质、岩土工程等领域的研究提供理论基础。
3. 推动渗流模型理论和方法的发展，促进地下水资源开发和利用的可持续发展。
裂隙网络中流体的运移的模拟引言裂隙网络是地下岩石中的一种重要结构，它可以影响岩石的渗透性和孔隙度，从而对地下水和油气的运移具有重要影响。
对于裂隙网络中流体运移的模拟，可以帮助我们更好地理解地下水和油气的运移规律，为地下水资源的开发利用和油气勘探开发提供科学依据。
本文将介绍裂隙网络中流体的运移模拟的相关技术和方法，并探讨其在地下水和油气资源开发中的应用。
裂隙网络中流体运移的模拟是一个复杂的非线性问题，需要考虑裂隙网络的几何形态、渗透性分布、裂隙间的相互作用等多种因素。
目前，常用的裂隙网络中流体运移模拟技术主要包括数值模拟和物理模拟两种方法。
数值模拟是通过数学模型和计算机仿真的方式，对裂隙网络中流体的运移进行模拟和预测。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法、边界元法等。
这些方法通过对裂隙网络的几何形态和渗透性进行数值建模，将流体运移问题转化为求解偏微分方程的数值计算问题，从而得到流体的运移规律和分布情况。
物理模拟是通过实验室实验和野外观测的方式，对裂隙网络中流体的运移进行模拟和研究。
常用的物理模拟方法包括渗流实验、示踪试验、地质雷达探测等。
这些方法通过对裂隙网络的地下水和油气运移过程进行实际观测和测量，得到地下水和油气在裂隙网络中的运移规律和动态特征。
裂隙网络中流体运移的模拟方法还包括了多尺度模拟、多相流模拟等高级技术，可以更加精细地描述裂隙网络中流体的运移过程，提高模拟结果的准确性和可靠性。
裂隙网络中流体运移的模拟技术在地下水资源开发和管理、油气勘探开发、地下水、土壤与地下水污染治理等领域有着重要的应用。
在地下水资源开发和管理中，裂隙网络中流体运移的模拟可以帮助我们更好地了解地下水的运移规律，评估地下水资源量和质量，指导地下水资源的合理开发利用和保护管理。
通过数值模拟和物理模拟的手段，可以对地下水的运移路径、速度、补给来源等进行模拟和预测，为地下水资源的保护和管理提供科学依据。
在油气勘探开发中，裂隙网络中流体运移的模拟可以帮助我们更好地理解油气的分布规律和运移路径，指导油气勘探开发的决策和实施。
三维裂隙网络线单元渗流模型确定渗透张量研究的开题报告一、选题背景在地质工程领域中，理解岩石介质内的裂隙网络结构及其对流体渗流行为的影响是非常重要的。
随着现代计算机技术的不断发展和三维地震成像技术的成熟，获取岩石介质三维结构信息的难度逐渐降低。
在这种情况下，使用三维裂隙网络模型模拟岩石介质的渗流尤为重要。
传统裂隙网络模型通常使用二维平面网格或二维裂隙面来模拟岩石介质内的渗流过程。
但这种方法无法准确地表示三维裂隙网络结构的复杂性和不规则性，而三维裂隙网络模型可以更真切地反应介质的复杂性和不规则性，从而提高模拟精度。
因此，本文选取了三维裂隙网络线单元渗流模型为研究对象。
二、研究目的和意义本文旨在通过三维裂隙网络线单元渗流模型来确定渗透张量，既可以增强对岩石介质渗流行为的认知，又有助于预测和优化工程地质方案。
具体来说，本文的研究目的和意义如下：1. 确定渗透张量。
渗透张量是描述岩石介质渗流行为的重要参数，在石油、水利等领域均有广泛的应用。
本文通过三维裂隙网络线单元模型来确定渗透张量，以加深对岩石介质渗流行为的认识，并为相关领域提供重要的数据参考。
2. 提高模拟精度。
与传统的二维平面网格模型和二维裂隙网络模型相比，三维裂隙网络模型更真实、更有效地反映了岩石介质内的裂隙网络结构和渗流行为。
因此，本文所研究的三维裂隙网络线单元渗流模型可以提高岩石介质渗流模拟的精度，从而提高模拟结果的可靠性。
3. 优化工程地质方案。
掌握岩石介质渗透特性是进行工程地质设计和施工的重要前提。
本文所研究的三维裂隙网络线单元渗流模型可以精确地描述渗透性等渗流参数，有助于优化工程设计和开展施工。
三、研究内容和方法1. 研究内容本文将基于三维裂隙网络线单元渗流模型，通过大量的数值试验和仿真计算来确定岩石介质的渗透张量，具体包括以下研究内容：（1）三维裂隙网络线单元渗流模型的建立。
（2）基于渗流模型的渗透张量计算方法与过程。
（3）渗透性等渗流参数的确定与分析。
基于Monte-Carlo方法的三维裂隙网络模拟摘要:目前,人们研究裂隙岩体中流动和溶质运移时越来越多的采用离散介质方法,因此需建立离散裂隙网络。
由于裂隙的分布具有不确定性和交叉性,目前无法用确定性的研究方法进行研究。
文章用概率论与统计学的方法分析裂隙的分布及组合特征,利用Monte-Carlo方法进行三维裂隙网络随机模拟,建立了三维裂隙网络的随机模拟模型。
该研究可为进一步分析裂隙网络的连通性和渗透张量分布提供依据。
关键词:离散裂隙网络;概率统计;Monte-Carlo;三维裂隙网络目前裂隙岩体中流动和运移模拟方法可分为三类:①把岩体看作等效连续介质体,建立等效连续介质渗流数学模型;②不考虑岩块中的渗流,而把裂隙作为非连续网络处理,建立裂隙网络非连续介质渗流数学模型,即离散裂隙网络方法;③考虑岩体内裂隙导水,岩块储水而建立的岩体双重介质渗流数学模型。
其中,连续介质模型运用最为成熟,但这种方法因把裂隙空间平均到渗流单元体上,不能很好地刻画裂隙的特殊导水作用,在实际工程中,当岩体的裂隙分布比较稀疏,且岩体中的渗流主要取决于大的裂隙时,运用连续介质方法处理岩体渗流问题则容易引起大的误差。
离散裂隙网络模型最能反映裂隙发育的规律及裂隙水渗流的规律,但是受目前测量手段和计算量的限制,不可能把大范围的研究区内的每一条裂隙都测出来,目前大多只应用于小范围研究。
现阶段,我国主要用的是广义双重介质模型,即对主干裂隙采用离散裂隙网络模型,对于次要裂隙采用连续介质模型。
双重介质模型,结合了上述两种模型的优点。
国外更多的是研究非饱和带裂隙中水的流动和溶质运移,主要与废物处置、油气运移有关,且研究尺度小,研究精度高,一般采用离散裂隙网络模型或双重介质模型。
但是无论是离散裂隙网络模型还是双重介质模型,离散裂隙网络的构建是其基础。
1离散裂隙网络的构建离散裂隙网络方法的前提假设为:提供流体流动的路径的裂隙网络的几何参数(包括位置,形状,方位,尺度和每条裂隙的水力传导系数等)能够用数学描述。
润扬桥基三维裂隙网络渗流数值模拟
王恩志;侯鹏;李昂;尹建民
【期刊名称】《水文地质工程地质》
【年(卷),期】2006(33)1
【摘要】润扬长江大桥北锚碇是大桥关键工程,承担大桥悬索较大拉力.北锚碇的基础为花岗岩裂隙岩体,分布断裂和多组裂隙,基岩表部风化,上覆约45m厚的第四系松散沉积层,基坑开挖深度达48m,基坑内外水头差达47m.如何做好防渗和排水,对施工期的安全和施工质量至关重要.为此,采用离散裂隙网络渗流的三结构模型与连续介质渗流模型相结合,对北锚碇场区的地下水渗流进行了多种工况的数值模拟,为基坑防渗和排水设计提供了主要参考依据,其数值模拟结果已得到后来施工期实际资料的验证.
【总页数】4页(P27-30)
【作者】王恩志;侯鹏;李昂;尹建民
【作者单位】清华大学水利水电工程系,北京,100084;清华大学水利水电工程系,北京,100084;中国地质环境监测院,北京,100081;长江科学院岩基所,武汉,430010【正文语种】中文
【中图分类】P641.6
【相关文献】
1.考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析 [J], 黄帆;姚池;周创兵;杨建华
2.三维裂隙网络非稳定渗流分析的变分不等式方法 [J], 叶祖洋;姜清辉;姚池;周创兵
3.基于等效管网的岩体三维裂隙网络渗流特征研究 [J], 李冠鹏;罗从双;吴旭阳;刘恒
4.二维岩体裂隙网络有压渗流数值模拟分析 [J], 姚池;张萍;向广文
5.考虑水流温度影响的三维岩体裂隙网络非稳定渗流场数值分析 [J], 许增光;杨雪敏;柴军瑞
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裂隙网络中流体的运移的模拟裂隙网络是由各种大小不一的裂隙组成的复杂网络结构，裂隙网络中流体的运移是地质工程和水文地质领域的重要研究内容。
通过对裂隙网络中流体运移的模拟，可以预测地下水流动的速度和流量分布，为地下水资源的合理利用和地质工程的设计提供科学依据。
裂隙网络中流体的运移模拟通常采用计算流体力学方法，即将裂隙网络中的流体运动问题转化为一组偏微分方程，通过求解这组方程得到流体的流速、流量和压力分布等信息。
在模拟过程中，需要对裂隙网络的几何形态、流体的物理性质以及边界条件进行数值化描述。
对裂隙网络的几何形态进行数值化描述。
裂隙网络的几何形态多种多样，包括裂隙的分布、尺寸和连通性等。
通常采用离散网格方法将裂隙网络离散化为一组节点和连接边，节点表示裂隙的位置，连接边表示裂隙之间的相互关系。
通过确定节点的坐标和连接边的连通性，可以建立裂隙网络的拓扑结构。
对流体的物理性质进行数值化描述。
流体的物理性质包括密度、粘度和渗透率等。
密度和粘度通常可以视为常数，而渗透率则是裂隙网络中流体运动的关键参数。
渗透率描述了流体通过裂隙网络的难易程度，是裂隙网络流动行为的基础。
根据裂隙的尺寸和分布特征，可以通过实验或数值方法获得渗透率的值。
对边界条件进行数值化描述。
边界条件包括入口条件和出口条件。
入口条件可以通过给定入口流速或入口压力来模拟。
出口条件通常根据实际问题做出合理的假设，如对边界进行封闭或扩散处理。
边界条件的确定需要根据实际问题和模拟目的进行合理的设定。
在进行裂隙网络中流体的运移模拟时，需要建立数学模型并进行数值计算。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和边界元法等。
这些方法可以将偏微分方程进行离散化，通过迭代求解得到流体的运动状态和性质。
裂隙网络中流体的运移模拟在地质工程和水文地质领域有着广泛的应用。
在地下水资源开发中，可以使用模拟结果来指导地下水的开采和调控。
在地质工程中，可以使用模拟结果来评估地下水的渗流对工程稳定性的影响。
裂隙网络中流体的运移的模拟裂隙网络是由裂隙、裂隙间隙和岩石构成的复杂多孔介质，具有广泛的应用价值，如油气储层、地下水资源和地源热能等领域。
研究裂隙网络中流体的运移对优化资源开采和环境保护具有重要意义。
本文将介绍裂隙网络中流体的运移的模拟方法和关键技术。
裂隙网络中流体的运移可以通过数值模拟方法来实现。
数值模拟方法主要包括有限差分法、有限元法和离散元法等。
这些方法通过离散化裂隙网络和流体方程来计算流体在裂隙网络中的运动。
有限差分法将流体的运动方程离散化为差分方程，通过迭代求解差分方程来模拟流体的运移。
有限元法将裂隙网络划分为有限的网格单元，通过有限元法求解流体的运动方程。
离散元法将裂隙网络划分为离散的颗粒，通过离散元法模拟颗粒的运动，进而模拟流体的运移。
裂隙网络中流体运移的模拟需要考虑多个物理过程。
首先是流体的流动过程，根据流体的性质和裂隙网络特征，可以采用达西-达尔西定律或非达西流动模型来描述流体在裂隙中的流动。
其次是流体的传质过程，可以通过溶质溶解、扩散和吸附等物理过程来描述。
还可以考虑温度和压力等因素对流体运移的影响。
最后是流体与岩石的相互作用过程，可以通过模拟流体岩石相互作用，如溶解或沉积反应，来研究岩石孔隙度和渗透率的变化。
裂隙网络中流体运移的模拟需要考虑裂隙网络的几何特征。
裂隙网络的几何特征可以通过扫描电子显微镜或CT扫描等技术获取。
利用这些数据可以构建裂隙网络的三维模型，然后通过网格生成算法将裂隙网络离散为有限的网格单元，进而进行流体运移的模拟。
裂隙网络的几何特征还包括裂隙的连通性和尺度分布等属性，这些属性可以通过统计分析方法来获得。
裂隙网络中流体的运移可以通过数值模拟方法来实现。
关键技术包括流动方程、溶质传输方程和岩石流体相互作用模型的建立，流体运移的数值算法，裂隙网络几何特征的获取和处理等。
这些技术的应用可以对裂隙网络中流体运移的机理和特征进行深入研究，为实际工程和资源开发提供重要的参考和指导。
离散裂隙渗流方法与裂隙化渗透介质建模
离散裂隙渗流方法（Discrete Fracture Network, DFN）是一种
建模裂隙化渗透介质的方法，它将裂隙看作连续或离散的网络结构来描述岩石中的裂隙空间。
DFN模拟可以用于评估不同
的工程和环境问题，如地下水资源管理、石油勘探、地质储气系统和地下储存库的稳定性等。
DFN建模过程通常包括三个步骤：裂隙识别、裂隙参数估计
和流动模拟。
裂隙识别是指通过地质调查、地球物理探测等方法获取裂隙信息并构建DFN。
裂隙参数估计是指根据实验数
据或理论分析等方法估计裂隙的几何形态、连通性、尺寸分布、孔隙度、渗透率等特征参数。
流动模拟是指在DFN中进行渗
流模拟，通过求解扩散方程、流体力学方程等来计算流动场分布，从而获得介质的流动特征和运移行为。
DFN模拟的优点在于能够考虑裂隙空间的分布、排列和大小
等因素对渗流行为的影响，因此对于研究非均质介质中的流动、溶质迁移、热传输等问题具有较高的适用性。
缺点是DFN模
拟需要大量的裂隙信息和参数估算，模拟结果的可靠性和精度受到数据质量和参数选择的影响。
在DFN模拟中，常用的计算方法包括有限元、有限差分、边
界元等。
这些方法的主要思想是将DFN划分为离散的单元或
节点，利用数值方法求解渗流方程，通过迭代计算获得最终的渗流场分布。
最近几年，DFN模拟在计算机科学、地球科学
和工程应用等领域得到了广泛的研究和应用。
总之，DFN模拟是一种有效的裂隙化渗透介质建模方法，能够对非均质介质中的渗流问题提供准确的数值解，对于地下水资源管理、油气勘探、地质储存等领域具有重要的应用价值。
第42卷 第4期2023年 7月 地质科技通报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yV o l .42 N o .4J u l . 2023赵敬波,刘健,周志超,等.基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法[J ].地质科技通报,2023,42(4):55-64.Z h a o J i n g b o ,L i u J i a n ,Z h o u Z h i c h a o ,e t a l .P a r a l l e l g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n m e t h o d b a s e d o n a d i s c r e t e f r a c t u r e n e t w o r k m o d e l [J ].B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2023,42(4):55-64.基金项目:核设施退役及放射性废物治理专项项目(科工二司 2022 736号)作者简介:赵敬波(1988 ),男,高级工程师,主要从事水文地质与高放废物地质处置相关研究工作㊂E -m a i l :z h a o j i n g b o b r i u g @o u t l o o k .c o m©E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y .T h i s i s a n o pe n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y -N C -N D l i c e n s e .基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法赵敬波,刘 健,周志超,季瑞利,张 明,付馨雨(核工业北京地质研究院国家原子能机构高放废物地质处置创新中心,北京100029)摘 要:裂隙水表现为强烈的非均匀性和各向异性,而离散裂隙网络模拟方法是目前国际上公认描述裂隙水流动规律最为合理㊁有效的方法之一㊂以我国高放废物地质处置地下实验室花岗岩场址为研究对象,借助高性能数值计算服务器集群及并行程序,提出了场址岩体离散裂隙网络渗流并行模拟方法㊂结果表明,该方法可实现千万级别模型网络单元离散裂隙网络渗流精细化模拟,提升了程序处理复杂问题的计算效率及能力;建立了离散裂隙网络模型结构优化与实际情景条件下边界参数赋值方法,保障了场址水文地质评价过程中不同尺度模型水位信息的有效传递;模拟区域地下水位沿着裂隙呈网状结构分布,呈现从南向北流动的趋势,连通裂隙间的水位呈现从高到低的连续变化,非连通裂隙的水位是非连续的;地下水是沿着导水裂隙流动,裂隙网络的连通性及渗透性对地下水流动特性影响明显㊂离散裂隙网络渗流并行数值模拟可以更为精细反映裂隙地下水动力场特征,进一步提升裂隙介质渗流模拟预测能力,这对深化裂隙水流动规律的认识具有重要意义㊂关键词:裂隙岩体;离散裂隙网络;并行模拟;高放废物地质处置2023-02-15收稿;2023-04-20修回;2023-04-20接受中图分类号:T L 942+.211;P 641.2 文章编号:2096-8523(2023)04-0055-10d o i :10.19509/j .c n k i .d z k q.t b 20230078 开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):P a r a l l e l gr o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n m e t h o d b a s e d o n a d i s c r e t e f r a c t u r e n e t w o r k m o d e lZ h a o J i n g b o ,L i u J i a n ,Z h o u Z h i c h a o ,J i R u i l i ,Z h a n g M i n g ,F u X i n yu (C A E A I n n o v a t i o n C e n t e r f o r G e o l o g i c a l D i s p o s a l o f H i gh -L e v e l R a d i o a c t i v e W a s t e ,B e i j i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f U r a n i u m G e o l o g y ,B e i j i n g 100029,C h i n a )A b s t r a c t :[O b je c t i v e ]G r o u n d w a t e rf l o w i n f r a c t u r e d r o c k s h a s s t r o ngh e t e r o g e n ei t y a n d a n i s o t r o p y .T h e d i s c r e t e f r a c t u r e n e t w o r k (D F N )m e t h o d h a s b e e n i n t e r n a t i o n a l l y co n s i d e r e d a s o n e o f t h e m o s t r e a s o n a b l e a n d e f f e c t i v e m e t h o d s t o d e s c r i b e t h e f r a c t u r e w a t e r t r a n s po r t .[M e t h o d s ]I n t h i s w o r k ,w e f o c u s e d o n g r a n i t e r o c k f r o m a n u n d e r g r o u n d r e s e a r c h l a b o r a t o r y s i t e f o r t h e g e o l o g i c a l d i s p o s a l o f h i gh -l e v e l r a d i o a c -t i v e w a s t e .I n a d d i t i o n ,a h i g h -p e r f o r m a n c e n u m e r i c a l c o m p u t i n g s y s t e m a n d p a r a l l e l c o d e s w e r e e m p l o ye d t o d e v e l o p a gr o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n m e t h o d i n f r a c t u r e d r o c k s b a s e d o n t h e D F N m o d e l .[R e s u l t s ]T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e p r o po s e d m e t h o d c o u l d c o n d u c t t h e g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n o f D F N w i t h t h o u s a n d s o f m e s h e l e m e n t s .T h i s i m p r o v e d t h e c o m p u t a t i o n a l e f f i c i e n c y a n d a b i l i t y of t h e p a r a l l e l c o d e s t o d e a l w i t h c o m p l e x m o d e l s .W e e s t a b l i s h e d t h e D F N m o d e l s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n a n d p a r a m e t e r s e t t i ng m e th o d s o f b o u n d a r y c o n di t i o n s i n a c o m p l e x c o n d i t i o n .T h i s c o u l d e n s u r e t h a t t h e h yd r a u l i c he a d s Copyright ©博看网. All Rights Reserved.h t t p s://d z k j q b.c u g.e d u.c n地质科技通报2023年w e r e c o n t i n u o u s a t d i f f e r e n t s c a l e m o d e l s.F u r t h e r m o r e,i n t h e m o d e l a r e a,t h e h y d r a u l i c h e a d i s d i s t r i b u-t e d a s a n e t w o r k s t r u c t u r e a l o n g f r a c t u r e s.F o r t h e c o n n e c t e d f r a c t u r e s,t h e w a t e r l e v e l w a s c o n t i n u o u s a n d c h a n g e d f r o m h i g h t o l o w.H o w e v e r,t h e w a t e r l e v e l i n t h e n o n c o n n e c t e d f r a c t u r e s w a s d i s c o n t i n u o u s.G r o u n d w a t e r f l o w s a l o n g t h e f r a c t u r e f r o m t h e h i g h w a t e r l e v e l a r e a t o t h e l o w w a t e r l e v e l a r e a.T h e c o n-n e c t i v i t y a n d p e r m e a b i l i t y o f t h e f r a c t u r e n e t w o r k h a v e a n o b v i o u s i n f l u e n c e o n t h e g r o u n d w a t e r f l o w c h a r-a c t e r i s t i c s.[C o n c l u s i o n]T h e r e f o r e,w e c o u l d c o n c l u d e t h a t t h e p a r a l l e l g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n m e t h-o d b a s e d o n t h e D F N m o d e l c o u l d m o r e r e a s o n a b l y r e f l e c t t h e g r o u n d w a t e r f l o w i n a f r a c t u r e d r o c k m a s s.I t w a s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o f u r t h e r i m p r o v e t h e s i m u l a t e d p r e d i c t i o n a b i l i t y a n d d e e p e n t h e u n d e r s t a n d-i n g o f g r o u n d w a t e r f l o w c h a r a c t e r i s t i c s i n a f r a c t u r e d m e d i u m.K e y w o r d s:f r a c t u r e d r o c k m a s s;d i s c r e t e f r a c t u r e n e t w o r k;p a r a l l e l s i m u l a t i o n;g e o l o g i c a l d i s p o s a l o f h i g h-l e v e l n u c l e a r w a s t e sR e c e i v e d:2023-02-15;R e v i s e d:2023-04-20;A c c e p t e d:2023-04-20放射性废物是核工业发展的必然产物,其中高放废物具有毒性大㊁放射性强㊁半衰期长㊁释热率高等特点,能否对其进行安全处置已成为关系到我国核工业可持续发展和环境保护的战略性课题㊂目前,国际上公认的高放废物处置方式为深地质处置,选择低渗透性岩体作为处置库,使其与人类环境永久隔离㊂但是,在复杂地质环境的长期作用下,放射性核素从处置设施中缓慢释放,伴随着围岩中地下水迁移到生物圈,从而引起重大的生态环境问题[1-2]㊂因此,合理表征围岩裂隙介质渗透性的空间结构,掌握裂隙岩体地下水场的演化规律,对高放废物的最终安全处置具有极其重要的现实意义和战略意义㊂目前包括我国在内的许多国家都将花岗岩作为高放废物处置库的候选围岩,而花岗岩不可避免地分布有不同尺度的天然裂隙㊂不同方向㊁不同规模裂隙相互交切连通构成的网状结构控制着地下水赋存㊁运移和富集,地下水流动表现出强烈的不均匀性和各向异性[3-4]㊂目前国内外研究裂隙介质渗透结构数值方法主要分为等效多孔介质模型和离散裂隙网络模型两大类[5-6]㊂等效多孔介质数值方法相对较为成熟㊁应用广泛,常采用地质统计方法描述裂隙岩体渗透空间的结构性与随机性,主要方法包括克里金插值方法㊁P i l o t P o i n t调参方法㊁条件随机模拟方法㊁转移概率-马尔可夫链方法㊁水力层析法等[7-14]㊂这类方法基于实测水文地质参数的数理统计规律,结合地下水动态㊁电磁信号㊁热示踪等响应数据,采用正演或者反演的方式表征裂隙岩体渗透结构的空间变异性特征㊂但是由于其忽略裂隙空间几何特征,必然在刻画随机裂隙产状信息与连通性方面存在着不足,在小尺度范围内模型结果更侧重于地下水流宏观模拟,无法实现裂隙间渗流特性精细化表征㊂离散裂隙网络渗流数值方法最早开始于20世纪80年代,是目前国际上公认描述裂隙水运移规律最为合理㊁有效的方法之一[6,15-17]㊂C a c a s等[18]㊁N o r d q v i s t等[19]最早采用离散裂隙网络统计模型,对比试验数据并验证小尺度范围渗流模拟结果及方法的可靠性㊂宋晓晨等[20-21]采用边界元-管流数值方法求解裂隙网络中的渗流问题,并编制了裂隙岩体渗流模拟程序F r a c F l o w㊂d e D r e u z y等[22]建立了一系列裂隙密度由小到大,裂隙尺寸由长到短的三维裂隙网络模型,提出了一个针对三维随机裂隙网络渗流模拟的基准㊂黄宇等[23]基于变异函数方法,研究了个旧高松矿田莲花山断裂和五指山背斜裂隙网络的空间变异性㊂L a n g等[24]㊁胡成等[25]提出了一种可同时考虑岩体基质渗透特性的三维裂隙网络等效渗透张量的计算方法㊂但是整体上这些学者的研究侧重于数值建模算法的研究,模型的尺度相对较小,对数值计算能力要求较低㊂考虑到裂隙间的相互交叉㊁裂隙闭合等因素,部分学者提出了自适应能力较高的网络自动剖分算法并优化网格质量以满足渗流模拟的需求[26-29]㊂伴随着离散裂隙网络建模㊁网格剖分及渗流模拟算法的逐渐完善,模型尺寸逐步增大,网格单元会呈几何倍数快速增长,网格数量可达百万级别甚至千万级别㊂基于此,一系列并行数值软件或者程序得到了研发和推广,例如:商业软件F r a c M a n和C o n n e c t F l o w,开源程序d f n-W o r k s㊁S I D N U R㊁D u M u x3㊁G e o F l o w等[30-35]㊂其中商业软件F r a c M a n和C o n n e c t F l o w是现阶段应用较为广泛㊁商业程度较高的裂隙网络数值模拟软件,并在瑞典㊁芬兰及英国放射性废物处置领域得到了广泛应用,这两款软件数值建模较强,但并行计算能力较弱㊂而上述开源软件,尤其是程序d f n-W o r k s,并行计算能力较强,可借助于高性能数值计算服务器,实现大尺度的复杂离散裂隙网络渗流模拟研究,但是其处理复杂边界条件㊁巷道开挖等实际工程问题的能力较弱[36-37]㊂同时对于离散裂隙网络65Copyright©博看网. All Rights Reserved.第4期赵敬波等:基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法渗流数值模拟方法,由于仅考虑了裂隙中的地下水与溶质运移过程,忽略了裂隙网络与基质之间的相互作用㊂尤其对于溶质运移模拟,基质的扩散作用会改变整体溶质的迁移过程㊂在低渗透介质中长时间尺度上两者之间的相互作用也更为明显,这些都是目前该方法后续研究需要关注的重点[36,38-39]㊂笔者拟以我国高放废物处置地下实验室新场场址花岗岩为研究对象,借助高性能数值计算服务器集群,采用并行程序d f n W o r k s ㊁L a G r i t ㊁P F L T R A N开展离散裂隙网络渗流并行模拟方法研究,提出离散裂隙网络模型结构优化与实际情景条件下边界参数赋值方法,模拟分析裂隙介质地下水流规律,进而为我国高放废物地质处置场址水文地质适宜性评价提供技术支撑㊂1 研究区域概况1.1自然地理我国高放废物处置地下实验室新场场址位于甘肃省酒泉市肃北县,地形海拔标高多分布在1650~1800m ,呈西高东低分布,为低山丘陵地形,地势起伏不大,山丘与沟谷高差约80m ,如图1所示㊂研究区降水稀少,冬干冷,夏炎热,蒸发强烈,地表水与地下水极其匮乏,年降水量一般为60~80mm ,年蒸发量高达2579.6~3185.3mm ,全区无常年性地表水系,仅在雨季存在间隙性的地表洪流㊂图1 研究区地形图及部分钻孔位置F i g .1 T o p o g r a p h i c a l m a p o f t h e s t u d y ar e a a n d b o r e -h o l e l o c a t i o n s1.2地质与水文地质条件地下实验室场址主要以侵入岩为主,岩性主要以片麻状花岗闪长岩㊁二长花岗岩㊁花岗闪长岩及片麻状二长花岗岩㊂场址区域的断裂构造主要以压性和压扭性断裂为主,走向多为E W 或者近EW 方向,同时还分布长度为2~5k m 的次级配套断裂,多数走向为N N E 或者N E 方向,将岩体切割为大小不一的岩块[40],如图2所示㊂图2 研究区地质简图F i g .2 S i m p l i f i e d g e o l o g i c a l m a p o f t h e s t u d y ar e a 根据地下水赋存条件,研究区以基岩裂隙水为主,局部沟谷浅部分布松散岩类的孔隙水㊂地下水位受地形影响较为明显,总体趋势为西侧水位较高,东侧水位较低,中间地表分水岭区域水位较高,南北两侧相对较低,多数钻孔水位埋深分布在17~49m 之间㊂根据钻孔B S 39㊁B S 37及B S 36的水位多层监测设备结果可知,场址区域浅部水位较高,深部较低,水位呈现从浅部向深部运移的趋势㊂研究区地下水补给来源以大气降水为主㊂2 离散裂隙网络渗流模拟2.1程序简介本研究主要采用美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的并行开源程序包d f n W o r k s 进行离散裂隙网络建模与渗流模拟(h t t p s ://d f n w o r k s .l a n l .g o v /)㊂该程序集成了离散裂隙网络建模模块D F N G e n㊁网格剖分模块L a G r i T ㊁地下水及溶质运移模块F E MH 和P F L O T R A N ㊁质点追踪模型D F N T r a n s 及大型线性和非线性方程组求解程序P E T S C ,能够在高性能数值计算服务器集群上实现大规模的并行计算,不同程序模块之间的调用是通过p yt h o n 语言编制的p yd f n w o r k s 模块实现,模拟结果采用免费开源软件P a r a v ie w 进行可视化显示[32,41],不同模块间相互关系及程序结构如图3所示㊂其中程序P F L O T R A N 可支持218个C P U 并行计算,能够支持地下水渗流㊁核素迁移㊁多相流模拟㊁冰川融水㊁热-水-力-化学多场耦合等相关数值模拟研究工作,是目前美国高放废物深地质处置评价技术中的核心组成模块(h t t p s ://p a .s a n d i a .go v /)㊂基于此,75Copyright ©博看网. All Rights Reserved.h t t p s ://d z k j q b .c u g.e d u .c n 地质科技通报2023年本文数值模拟工作是主要以程序D F N G e n ㊁L a G -r i T ㊁P F L O T R A N 及P E T S c 为主,现阶段这些程序已经搭建在北京超级云计算中心高性能数值计算服务器集群平台上㊂每个计算节点硬件由I n t e l X e o nP l a t i n u m 9242C P U@2.30G H z 和96核处理器组成,操作系统为C e n t o s 7.8,单个节点内存为384G B ,不同节点间采用高效的I n f i n i B a n d 通讯技术连接,采用脚本文件调用不同程序模块㊂图3 程序调用流程图F i g .3 F l o w c h a r t o f d i f f e r e n t p r o gr a m c o d es 图4 裂隙优势产状分组(等角度下半球投影)F i g .4 F r a c t u r e p o l e o r i e n t a t i o n o f t h e s t u d y ar e a o n a n e q u a l a n gl e s t e r e o n e t 2.2离散裂隙网络建模地下实验室场址区域用于揭露岩体完整性的钻孔主要包括B S 06㊁B S 28㊁B S 33㊁B S 32等,而其余钻孔多数是用于查明断裂构造地质与水文地质特性的斜孔,见图1㊂为了分析花岗岩岩体的裂隙分布规律,本研究重点围绕地下实验室区域揭露的裂隙特征及其渗透性进行离散裂隙网络建模及渗流模拟方法探讨分析,为后续场址水文地质适宜性评价提供技术储备㊂目前根据岩体中直孔揭露的裂隙条数为1136,根据前期相关研究成果[42],裂隙产状可划分8个优势组方向,其中以优势组6的裂隙条数最多,结果如图4所示㊂裂隙产状服从E l l i pt i c a l F i s h e r 函数分布(f (θ,φ)),相关参数见公式(1)和表1㊂f (θ,φ)=f θf φ=R 2π(R 2c o s 2θ+s i n 2θ)k s i n φe k c o sφe k-1, 0ɤθɤ2πa n d 0ɤφɤπ2(1)式中:φ为优势组裂隙的平均倾角;θ为优势组裂隙的平均倾向;k 为离散系数,反映了裂隙的离散程度;R 为椭圆模型的长轴与短轴比值㊂表1 裂隙优势产状E l l i pt i c a l F i s h e r 分布模型参数T a b l e 1 E l l i p t i c a l F i s h e r m o d e l pa r a m e t e r s f o r f r a c t u r e p r e -d o m i n a r i c e优势组编号优势倾向/(ʎ)优势倾角/(ʎ)分布模型分布模型参数k R130.2161.74E l l i p t i c a l F i s h e r 14.502.122128.360.21E l l i pt i c a l F i s h e r 15.731.853230.8262.55E l l i pt i c a l F i s h e r 17.181.834297.5962.94E l l i pt i c a l F i s h e r 25.161.79590.4281.89E l l i pt i c a l F i s h e r 9.5648.116165.2141.65E l l i p t i c a l F i s h e r 15.411.837349.4626.26E l l i p t i c a l F i s h e r 19.681.928341.8963.93E l l i pt i c a l F i s h e r 25.672.00 注:表中k 为离散系数;R 为椭圆模型的长轴与短轴比值目前场址裂隙直径调查的数据相对有限,假设裂隙直径满足对数正态分布,采用这些已有参数进行模型构建,如表2所示[42]㊂对于离散裂隙网络模型而言,裂隙密度是影响模型中裂隙最终数量及数值计算量的直接指标之一㊂考虑到处置场址特性评价过程中钻孔揭露的裂隙包括闭合裂隙㊁张开裂隙及裂隙被矿物充填等,很难判断裂隙的导水特性㊂基于此,F o l l i n 等[43]采用高精度钻孔流速测量设备P F L 识别钻孔中的导水裂隙,以导水系数大于1.0ˑ10-9m 2/s 作为判断标准,以此进行模型构建,这样可以有效地降低裂隙数量,减少模型的计算量㊂表2 裂隙直径分布模型参数(以自然对数e 为底)[42]T a b l e 2 F r a c t u r e s i z e d i s t r i b u t i o n m o d e l p a r a m e t e r s优势组编号分布模型分布模型参数平均值μ方差σ1对数正态分布0.49851.02202对数正态分布0.64270.85443对数正态分布3.34100.13324对数正态分布1.75500.47565对数正态分布0.42991.31006对数正态分布1.72200.37047对数正态分布0.22511.43308对数正态分布2.06300.355985Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第4期赵敬波等:基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法现阶段研究区尚未开展相应的流速测量工作,模型构建过程中通过选取渗透系数满足上述标准的水文试验段中的裂隙进行统计分析㊂假设试验段中不同优势组的裂隙导水系数都达到上述标准,据此,裂隙线密度取这些渗透性较高试验段的裂隙总数在整个钻孔长度上的平均值㊂在离散裂隙网络模型中裂隙线密度取所有钻孔的平均值为0.3358㊂离散裂隙网络模型以钻孔B S 32和设计处置深度560m 为中心,选取400mˑ400mˑ100m 的范围,采用程序d f n W o r k s 进行建模,各个钻孔模拟的裂隙线密度最大值为0.4097,最小值为0.2756,与上述实测钻孔裂隙线密度整体上是保持一致㊂其中模型中既存在直径相对较小的裂隙也存在中心点极为接近的或者靠近边界的裂隙,在后续网格剖分及渗流模拟过程中需要关注这些因素㊂基于此,为了平衡数值计算量和裂隙数量之间的关系,程序d f n W o r k s 会根据网格单元尺寸设置信息,在网格剖分过程中剔除直径相对较小㊁孤立的裂隙㊁中心点靠近模型边界或者2条裂隙中心点极为接近的裂隙[29]㊂然而采用上述方法优化离散裂隙网络模型会出现连通的㊁数量较少裂隙网络,这是目前该程序无法解决的难题㊂基于此,本研究利用数值建模能力更强软件F r a c M a n,采用聚类分析方法,研究裂隙网格的连通性,进一步剔除较少裂隙数量的网络集合,保留裂隙网络最大集合㊂在综合各个程序的优缺点基础上,采用F o r t r a n 语言编写了软件F r a c M a n 与程序d f n -W o r k s 之间程序接口,优化了离散裂隙网络建模方法,实现两者之间建模结果无缝衔接㊂最终生成的模型裂隙总数为6647,结果如图5所示,实测钻孔图5 研究区离散裂隙网络模型F i g .5 D i s c r e t e n e t w o r k f r a c t u r e m o d e l o f t h e s t u d y ar e a 及模型中不同优势组裂隙统计信息见表3㊂其中优势组7对应的裂隙直径相对较小,在网格剖分过程中这组裂隙剔除较为明显,所占比例下降明显,而优势组3则可能由于裂隙网络连通性分析过程中删除孤立的㊁较小裂隙网络集合导致这部分裂隙所占比例降低,优势组1和优势组6整体与实测数据保持一致,其他各组裂隙所占比例相应略微升高㊂模型中绝大多数裂隙直径分布小于15.0m ,占裂隙总数的89.7%,少数裂隙直径较大㊂表3 钻孔实测裂隙及模拟结果统计信息T a b l e 3 S t a t i s t i c a l i n f o r m a t i o n o f b o r e h o l e f r a c t u r e l o g g i n ga n d s i m u l a t e d r e s u l t s优势组编号实测裂隙数量所占百分比/%模型中裂隙数量所占百分比/%1675.903655.49214813.03121218.23313712.062273.42417615.49158623.865948.273765.66621619.01136620.55714112.412093.14815713.82130619.65本次模型网格剖分与渗流模拟选取单节点96核处理器进行数值计算,采用程序L a G r i T 对每条裂隙面进行高质量的三角形网格剖分以确保后续数值计算的稳定性㊂由于不同尺寸间裂隙的相互交叉,且部分裂隙半径相对较小,这会导致模型网格单元数量急剧上升,最终模型剖分的网格单元总数为1224.3万,结点总数600.6万,裂隙交叉处网格进行了局部加密,结果如图6所示㊂图6 模型网格剖分结果F i g.6 M e s h g r i d s o f t h e d i s c r e t e n e t w o r k f r a c t u r e m o d e l 2.3模型边界与参数设置对于高放废物处置场址而言,目前常采用多尺度地下水流数值模型进行场址特性评价㊂考虑到离散裂隙网络渗流模型对计算能力要求较高,模型尺寸相对较小,常适用于处置库尺度地下水流精细模拟,其边界条件的确定则由外围场址尺度的等效多孔介质模型模拟结果确定[44]㊂如何将等效多孔介质模型模拟结果有效传递给离散裂隙网络模型,是95Copyright ©博看网. All Rights Reserved.h t t p s ://d z k j q b .c u g.e d u .c n 地质科技通报2023年本研究的难点之一㊂一般情况下等效多孔介质模拟结果在空间上呈现非规律变化,考虑该程序商业程度极低,可操作性极差,很难采用数学方程或者空间插值的方式直接对离散裂隙网络模型边界处水位进行赋值㊂基于此,本研究根据上述网格剖分的结果和实际场址尺度等效多孔介质模型模拟结果[45],通过编写相应的F o r t r a n 语言程序提取离散裂隙网络模型边界的结点坐标,然后采用软件M a t l a b 和最小邻近方法插值获得相应各个结点水位值,转化为并行程序P F L O T R A N 输入格式㊂模型中边界设置为第一类边界条件,边界处结点总数为71297,其中图7为模型边界处离散点水位赋值结果㊂结果表明模型范围内水位西南侧偏高,北侧偏低,这是由于钻孔B S 32位于地表分水岭的北侧,在未扰动条件下,模型西南侧处于分水岭附近,地形相对较高,导致水位相对较高㊂其次,通过模型边界赋值结果可知,水位是以离散点的形式沿着裂隙分布,相互交叉的裂隙在不同位置水位从高到低逐渐变化的,未交叉的裂隙水位在空间上则呈现非连续的变化㊂同时该结果也表明该方法可以有效地将等效多孔介质模型结果传递到小尺度离散裂隙网络模型边界处,以此作为后者模型的约束条件㊂这种方式既可以处理实际情景条件下的边界条件水位赋值,还可实现场址到处置库不同尺度水位信息的有效传递,确保离散裂隙网络模型模拟结果的合理性,也保障场址水文地质评价研究过程的时空连续性㊂图7 离散裂隙网络模型边界结点赋值结果F i g .7 H y d r a u l i c h e a d s o f b o u n d a r y no d e s f o r t h e d i s -c r e t e n e t w o r k f r a c t u r e m o d e l高放废物处置库需要预测数万年尺度地下水流动规律,在这种条件下若无人为扰动,则地下水动力场会处于稳定状态,故定解问题设置为稳定流数学模型㊂现阶段裂隙介质中地下水流动规律常采用立方定律描述,并未考虑裂隙尺寸㊁相互交叉等因素影响㊂基于此,H ym a n 等[47]提出了4种裂隙尺寸与导水系数数学关系,模拟离散裂隙网络中地下水流动与溶质运移规律,该方法已经成功在瑞典与芬兰高放废物处置库场址特性评价中得到推广与应用㊂本研究选取了考虑裂隙尺寸的数学方程描述离散裂隙网络模型渗透性空间分布规律,见式(2)㊂考虑到现阶段研究区尚未开展相关水力试验的研究,式(2)中相关参数确定参考瑞典F o r s m a r k 处置场址的计算结果[41]㊂基于此,离散裂隙网络模型渗透结构的表征结果如图8所示㊂结果表明整体上裂隙导水性与尺寸明显呈现正相关,裂隙尺寸越大,相应导水系数也越大㊂裂隙导水系数最小值为1.37ˑ10-9m 2/s ,最大值为1.76ˑ10-8m 2/s㊂l o g (T )=l o g(α㊃r β)(2)式中:α㊁β为经验参数,可通过高精度钻孔流速测量设备P F L 获得的裂隙导水系数T 的数理统计规律确定;r 为裂隙半径㊂图8 离散裂隙网络模型导水系数结果图F i g .8 T r a n s m i s s i v i t y s e t t i n g of t h e d i s c r e t e n e t w o r k f r a c t u r e m o d e l3 结果与讨论3.1地下水流模拟结果分析考虑到目前研究区观测到钻孔水位多数是混合水位,离散裂隙网络模型中很难采用这些钻孔水位进行参数识别与验证㊂基于此,本研究在上述参数的基础上,重点分析离散裂隙网络模型结果的地下水动力场的变化趋势,加深裂隙介质地下水空间分布规律的认识,如图9所示㊂该结果表明整体上水位沿着裂隙呈网状结构分布,在空间上是非连续分布的,对于连通的裂隙,地下水位沿着裂隙由高到低逐渐变化㊂模拟区域水位呈现西南侧偏高,北侧偏低,地下水整体呈现从西南向北侧流动的趋势,该模拟结果与图7中边界水位赋值结果是保持一致的㊂由于不同裂隙的相互交叉作用,交叉位置计算的地下水速度方向及大小误差较大㊂基于此,程序6Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第4期赵敬波等:基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法图9 离散裂隙网络模型水位模拟结果图F i g .9 S i m u l a t e d h yd r a u l i c he a d of t h e d i s c r e t e n e t -w o r k f r a c t u r e m o d e lD F N T r a n s 在水位和地下水速度模拟结果的基础上,采用拉格朗日方法对裂隙网络中的地下水速度进行重塑[46],结果如图10所示,图中仅显示模拟速度大小云图,未考虑速度方向㊂该结果表明裂隙中地下水流速的最小值为4.05ˑ10-9m /s ,最大值为5.94ˑ10-4m /s,主要由于裂隙导水系数相差较大,相应裂隙地下水速度差异性较为明显㊂该结果同时可定性地反映出模型中较大尺寸的裂隙,渗透性相对较高,相应的地下水速度也较快,会形成地下水流动的快速通道;反之,裂隙尺寸较小,渗透性较差,相应地下水速度也较小㊂受水力梯度影响,同一条裂隙不同的位置水力梯度不相同,相应的地下水速度也会存在一定的差异㊂图10 离散裂隙网络模型地下水流速模拟结果F i g .10 S i m u l a t e d v e l o c i t y of t h e d i s c r e t e n e t w o r k f r a c t u r e m o d e l目前规划的地下实验室处置工程主竖井位置位于钻孔B S 32附近,处置深度为560m ,为了更为形象地描述地下水沿裂隙的迁移规律及服务于后续处置工程长期安全评价,本研究假设在模型的中心位置设置半径为2m 圆柱形的虚拟处置硐室,硐室高度为5m ,在该位置布设了一定溶度溶质用于研究地下实验室中心区域地下水在裂隙网络中的迁移特性㊂虚拟硐室及6个模型边界设置为第一类边界条件,硐室处溶质浓度设置为100m o l /L ,边界外浓度为0m o l /L ,整个模拟区的初始浓度也设置为0m o l /L ㊂模拟的过程中仅考虑对流作用对溶质运移过程的影响,最终溶质浓度随时间编号的模拟结果如图11所示,图中仅显示导水系数大于1.0ˑ10-8图11 离散裂隙网络模型溶质运移模拟结果F i g .11 M a s s t r a n s po r t s i m u l a t e d r e s u l t s o f t h e d i s c r e t e n e t w o r k f r a c t u r e m o d e lm 2/s 的裂隙㊂该结果可以明显显示出由于模拟区域南侧地下水位较高,整体上地下水和溶质沿着半径较大㊁渗透性较高的裂隙向西北和东北方向迁移㊂同时对于北侧中间区域,由于缺乏连通的裂隙,溶质绕过这些区域向北扩散㊂相比较而言,西北侧水力梯度更大,溶质在水动力势能的驱动下向西北侧运移速度更快㊂图12为溶质运移到稳定状态下不同深度浓度分布切面图,该图更形象反映溶质是沿着裂隙迁移,且裂隙的连通性对地下水及溶质空间分布㊁迁移方向至关重要,例如在深度560m 切面图中虚拟处置硐室正北侧方位存在溶质溶度极低的区域,这一现象在图11也有所体现,该区域虽然接近虚拟处置硐室,但是由于其连通性较差且裂隙导水性较低,溶质在这一区域的浓度分布极低,同时该现象在图中其他区域也有所体现㊂通过研究区断层分布特征可知(图2),在地下实验室区域断层走向主要以N N E 和N NW 2个方向为主,模型中裂隙的分布及溶质运移方向受上述地质构造影响较为明显,16Copyright ©博看网. 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裂隙网络中流体的运移的模拟裂隙网络中流体的运移是指流体在裂隙网络中由高压区域向低压区域运动的过程。
裂隙网络是由多个裂隙组成的复杂网络结构，裂隙之间存在不同的连接和通道，决定了流体运动的路径和速率。
模拟裂隙网络中流体的运移可以帮助我们更好地理解和研究地下水资源的运动和分布，进而指导水资源的开发和管理。
在进行裂隙网络中流体的运移模拟时，首先需要建立一个适当的数学模型。
传统的数学模型包括连续介质模型和孤立裂隙模型，但这些模型不能准确地反映实际裂隙网络中复杂的流体运动过程。
近年来，随着计算机技术的发展，基于离散介观尺度的网络模型开始得到广泛应用。
离散介观尺度的网络模型将裂隙网络分为多个小区域，并考虑了每个小区域中裂隙之间的连接和交互。
在每个小区域中，我们可以根据裂隙的物理特性和流体的性质建立相应的运动方程。
一般来说，裂隙的渗透性和孔隙度是影响流体运移的重要因素，因此需要通过实验或实际数据来获取这些参数。
通过离散介观尺度的网络模型，我们可以进行不同条件下的流体运动模拟。
可以通过改变裂隙网络的结构和连接方式来研究不同的渗流路径和速率。
还可以模拟不同地下水位和压力梯度等因素对流体运移的影响。
通过这些模拟，我们可以了解裂隙网络中流体的扩散、分散和混合等动力学过程，进一步分析和预测裂隙网络中流体的运移行为。
在进行裂隙网络中流体的运移模拟时，需要借助计算机软件和数值计算方法。
常用的软件包括MODFLOW、FLOTRAN等，可以根据具体需求选择合适的软件进行模拟。
数值计算方法包括有限差分法、有限元法等，通过将裂隙网络划分为多个离散的小区域，将流体运动的方程离散化，然后通过迭代计算得到流体的运动状态。
裂隙网络中流体的运移模拟是研究地下水资源运动和分布的重要手段。
通过合理的数学模型和数值计算方法，可以模拟裂隙网络中流体的运移过程，并了解流体的扩散、分散和混合等动力学过程，为地下水资源的开发和管理提供科学依据。
基于三维随机裂隙的岩溶水渗流数值模型构建及渗流特性研究李传磊;林广奇;刘文;李甫;高帅;贾超
【期刊名称】《水力发电》
【年(卷),期】2024(50)6
【摘要】为研究裂隙含水介质中岩溶水的微观动力学特征,针对济南泉城公园岩芯样本,通过CT扫描与三维重建技术获取含水介质的内部裂隙结构信息,实现内部三维裂隙结构的再现,通过Monte Carlo模拟技术构建三维裂隙含水介质网络,采用数值模拟方法,研究岩溶水在裂隙网络空间的渗流特性。
结果表明,研究区岩溶裂隙微观非均质性强;渗流受控于裂隙分布,具有非常强的方向性;在裂隙相交位置处渗流速度远大于其他部位渗流速度。
【总页数】6页(P44-48)
【作者】李传磊;林广奇;刘文;李甫;高帅;贾超
【作者单位】山东省地矿工程勘察院;山东大学海洋研究院;山东大学海洋地质与工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P641
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裂缝性油藏离散裂缝网络模型与数值模拟张烈辉;贾鸣;张芮菡;郭晶晶【期刊名称】《西南石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(039)003【摘要】离散裂缝网络模型由于能更好地表征裂缝性储层的非均质性而成为研究热点.将多点地质统计学中的FILTERSIM方法引入到离散裂缝网络建模中,克服了Monte-Carlo方法的不足,并为后续的渗流数值模拟提供裂缝网络模型.基于油水两相渗流模型,推导了油水两相饱和度有限元数值解格式,结合建立的裂缝网络模型,研究了一注一采井的水驱油动态过程和含水率上升规律.研究表明,离散裂缝网络模型与均质模型相比,由于存在裂缝网络,注入水沿着裂缝网络窜进,导致采油井过早地见水.当采油井见水以后,两种模型的含水率上升规律一致.【总页数】7页(P121-127)【作者】张烈辉;贾鸣;张芮菡;郭晶晶【作者单位】“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学,四川成都610500;“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学,四川成都610500;“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学,四川成都610500;“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学,四川成都610500【正文语种】中文【中图分类】TE319【相关文献】1.裂缝性油藏离散裂缝网络模型 [J], 郑松青;张宏方;刘中春;牟雷2.裂缝性油藏离散裂缝网络随机生成及数值模拟 [J], 杨坚;吕心瑞;李江龙;袁向春3.裂缝性油藏管道网络模型数值模拟方法研究 [J], 李慧涛4.基于离散裂缝模型的裂缝性油藏注水开发数值模拟 [J], 黄朝琴;姚军;王月英;吕心瑞5.天然裂缝性油藏的离散裂缝网络数值模拟方法 [J], 姚军;王子胜;张允;黄朝琴因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
2002年5月水 利 学 报SHUILI XUEBAO 第5期收稿日期:2001-12-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(59479010;40172084)作者简介:王恩志(1958-),男,辽宁人,博士,副教授,主要从事裂隙岩体渗流与地质工程的教学和研究工作.文章编号:0559-9350(2002)05-0037-04三维离散裂隙网络渗流模型与实验模拟王恩志1,孙 役2,黄远智1,王慧明1(1 清华大学水利水电工程系,北京,100084;2 湖北清江水电开发责任有限公司,湖北宜昌,443002)摘 要:本文根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制,将复杂的裂隙系统划分成带状断层、面状裂缝和管状孔洞三大类型,在忽略岩块渗透性的前提下,建立了由管状线单元、缝状面单元和带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型,为检验模型的合理性,在室内利用混凝土试块制成的离散体来模拟三维裂隙网络结构,设定不同的边界水位和降雨入渗对裂隙中渗流进行了实验,利用数值模型对实验结果进行了模拟,初步验证模型是合理而可靠的.关键词:裂隙网络;渗流;实验;数值模拟中图分类号:P641 135文献标识码:A自Wittke 提出线素模型[1、2]以来,二维裂隙网络渗流模型有所发展[3、4],进入20世纪80年代后,Long 提出了圆盘裂隙网络三维渗流模型[5],Dershowitz 、万力等提出了多边形裂隙网络模型[6,7],这些模型可描述面状裂缝相互切割所构成的裂隙网络渗流.然而,实际岩体中的裂隙系统并非都是由单一的面状裂缝所构成,为此,作者根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制,将复杂的裂隙系统划分成三大类型,在忽略岩块渗透性的前提下,建立了由管状线单元、缝状面单元、带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型[8].为检验模型的合理性,在室内利用混凝土试块制成的离散体来模拟三维裂隙网络结构,设定不同的边界水位和降雨入渗对裂缝中渗流进行了实验.本文就三维裂隙网络渗流实验结果和理论模型的数值模拟对比进行了分析,其结果初步表明理论模型是合理可行的.1 三维裂隙网络渗流数值模型复杂岩体中的裂隙网络可定义为由不同成因、不同力学属性、不同规模的管状、面状和带状结构体相互交错切割所构成的网络状系统[8],由管状结构的一维流、面状结构的二维流和带状结构的三维流在空间上组合,形成了岩体中复杂的三维裂隙网络渗流.因此,可按三种类型结构单元来建立三维图1 裂隙单元示意裂隙网络渗流数值模型.1 1 管状结构一维渗流方程 管状结构被其它裂隙切割后为一条线段,以该线段作为线单元,则一条管状结构可划分成数条线单元的组合.沿裂隙段方向建立局部的一维坐标系(图1(a)).设裂隙段中的水流为层流,线单元的渗流连续方程为:x K x H x +Q = d H d t (1) 371 2 面状裂隙二维渗流方程 面状裂缝类结构为典型的裂隙单元,被其它裂隙切割后,成为数个多边形裂缝(图1(b)),每个多边形裂缝在空间上表现为多边形面单元,按该单元所在的平面建立局部坐标系x o y ,并取局部坐标轴方向与裂缝的渗透主轴方向一致,设裂隙中水流为层流时,则局部坐标系下的二维渗流连续方程为:x K x H x + y K y H y +Q = d H d t (2)1 3 带状结构三维渗流方程 带状断层类结构可分为构造岩带和影响带,被其它裂隙切割后,每个带就成为空间中的数个扁多面体(图1(c)),其内结构为碎裂岩块的集合体(挤压面属面状结构),从渗透介质的特征上属于多孔介质.则根据带状断层的结构特点,对每一个扁多面体可用连续介质方法来描述其中的渗流.因此,当选取的局部坐标系与带状断层的3个渗透主轴一致时,其渗流连续性方程为:x K x H x + y K y H y + z K z H z +Q = d H d t (3)式中:x 、y 、z 为局部三维坐标系;K x 、K y 、K z 为3个主渗方向上的渗透系数;H 为水头函数; 为单位贮水率;Q 为源汇项;t 为时间变量.1 4 裂隙网络三维渗流数值方程 将上述3种类型结构单元体进行离散化,对断层单元的任一扁多面体划分成数个四面体、五面体或六面体的组合,对裂缝单元的任一多边形划分成数个三角形或四边形的组合,对管状单元又可划分为数条线单元的组合.这样根据线单元、面单元、体单元在空间的组构关系,对各类单元统一编号,由于各种单元相交存在公共节点,则节点也实行统一编号,由上面的一维、二维和三维渗流方程,分别求得各类单元上的传导矩阵,然后,按单元的相互关系,对各节点上的单元传导矩阵进行迭加组合,形成总体传导矩阵,得到由多种裂隙单元构成的三维裂隙网络渗流数值模型:{T }{H }+{Q }={E }d Hd t (4)式中:{H }为节点水头列向量;{T }为总体传导矩阵;{E }为裂隙贮水矩阵;{Q }为补给和排泄列向量.图2 三维裂隙网络渗流实验装置式(4)反映的介质结构为线单元、面单元和体单元的组合,其渗流是由一维流、二维流和三维流在空间上的组合,是由局部的连续介质渗流组合成的整体上的非连续介质渗流.断层类结构按其性质将有不同的划分,张性断层、劈理带、岩脉等可划分成一个条带,压性断层可划分数个条带,中部挤压面则作为面状单元嵌入在体单元中.同样对于面状裂缝单元,当有管道流存在时,可将管道线单元嵌入在裂缝面单元中.阻水裂隙(如压性断层的挤压面及闭合裂隙)的存在往往会造成两侧水位相差悬殊的现象,如果仅将此类单元的渗透性置零是无法描述这种水位差现象的,而采用双重单元法则可解决这一问题,其方法是将阻水裂隙分为两个侧面单元,其两侧的节点不相连,使两侧无水力联系,但在局部透水部位将两侧节点合二为一,形成水力联系.2 三维裂隙网络渗流实验装置三维正交裂隙网络渗流实验装置如图2所示,实验模型放置在扁长实验槽内,实验槽两侧为5mm 厚的玻璃板,可用来对渗流浸润线进行观测.用混凝土试块模拟裂隙岩块,试块尺寸为7 07cm 7 07cm 7 07c m,考虑到实际工程中地表裂隙较为发育的特点,在顶部叠放两层7 07cm7 07cm 3 535cm 的混凝土块.混凝土试块之间的裂隙互相连通,构成了三维正交裂隙网络. 38混凝土试块的堆砌沿实验槽横向布置4列、沿纵向布置12排、沿高度方向布置11层.这样,有水平缝(与Z 坐标方向垂直),纵向缝(与Y 坐标方向垂直),横向缝(与X 坐标方向垂直),共有裂隙单元1672个.在堆砌混凝土试块过程中,用塞尺直接量出裂隙的机械隙宽.在实验模型内预埋了12支压力传感器,用以量测渗流水头值.在实验装置顶部设置了人工降雨器,用于模拟降雨入渗.实验中设计了不同的实验工况,上下游侧设置为定水位边界,其水位可根据实验要求而调整.3 实验结果与数值模型模拟分析本次实验中的裂隙均为面状裂缝单元所组成,因此在三维裂隙网络渗流模型(4)中仅含有面状裂缝的多边形单元,每个多边形均为四边形.为能详细模拟渗流,将每个四边形单元再进一步划分成4个四边形单元,这样计算单元总数为6688个.边界条件:沿纵向(X )上下游为定水头边界;两侧面(Y 向)也是一条裂缝,则垂直侧面方向上的边界流量为零;底面仍为一条裂缝,也是零通量边界;顶部为降雨入渗边界.表1 压力传感器实测水头值与数值模型计算值对比传感器编号实测水头值 cm 模拟水头值 cm 17 077 07215 1715 43321 2119.88428 2827 46531 5632 16633 0433 06737 0636 84838 5037 17941 0042 291043 0042 361147 4847 571218 3048 30实验中,调整上、下游水位和降雨量,由压力传感器观测的内部节点水头值的变化,从实验槽两侧玻璃板可直接量测出浸润线高度.表1列出了上、下游水位分别为48 30c m 和7 0cm 、无降雨情况下的水位值.改变边界水位和降雨条件,可得到相应的节点水头和浸润线(见图3).从渗流场的分布看,等水头线疏密不均,浸润线的坡降也变化较大,水头变化较大的部位都发生在X =20cm 和X =70cm 附近,说明这些部位的裂隙水力开度较小,造成了等水头线相对密集、水力梯度加大的现象,这也恰好反映了裂隙介质的非均匀性.在三维裂隙网络渗流数值模拟中,需确定出每条裂隙的水力开度,确定的依据是制作实验模型时所测定的每条裂缝的机械隙宽,以这些机械隙宽为初值,对数值模型中的水力开度值进行校正.从各裂隙机械隙宽的分布看,位于X =20cm 、X=70cm 附近各裂隙的机械隙宽普遍小于其它部位,校正后的水力开度也应如此,这样才能反映等水头线的疏密分布,也就是要保持机械隙宽与水力开度在分布上具有相似性.因此,对机械隙宽为初值的水力开度先进行等比例的分步缩小,使计算流量与实验测定流量接近、流场分布相似,再运用优化调参方法,以水头拟合误差最小为目标函数,对数值模型中的各裂隙水力开度值进行微量校正调整,以进一步提高渗流场的吻合程度,最后获得数值模拟的渗流场.图4为有降雨入渗工况的渗流场实验和模拟结果,仍具有等水头线疏密分布的特征.( 上=48 3cm, 下=7 0cm)图3无降雨时渗流水头等值线剖面( 上=58 8cm, 下=17 9c m)图4 有降雨时渗流水头等值线剖面 39通过对比,实测渗流浸润线与数值模拟的浸润线吻合程度较好.对于不同渗流工况,三维裂隙网络渗流数值模型(4)都能够模拟出较为满意的结果,说明该数值模型是合理的,能较为详细描述裂隙系统中每一裂隙的渗流状况.当然,以上的结果是在实验条件下获得的,实际应用中理论计算的精度不可避免地要受到天然裂隙系统的高度复杂性、裂隙水力参数以及边界条件的难以准确界定等因素的影响,但实验结果无疑可以初步验证三维裂隙网络渗流数值模型的合理性.4 结论利用混凝土砌块来构筑裂隙网络,通过压力传感器测量水头及直接观测浸润线,来获得不同工况的渗流场分布状况,把实验渗流场与数值模拟渗流场进行比较,使理论模型与实验模型相统一.经过设定不同的上下游水位、有无降雨等渗流工况,对比实验和计算渗流场的结果,可以说明三维裂隙网络渗流数值模型是合理的,其计算精度令人满意.参 考 文 献:[1] 切尔内绍夫.水在裂隙网络中的运动[M].北京:地质出版社,1987.[2] Louis C,Wittke W.Experimental study of water flow in jointed rock massif[J].Tachien Project Formosa.Geotechnique,1971,21(1):29-35.[3] Wilson C R,Witherspoon P A.Steady state flow in rigid networks of fractures[J].Water Resources Research,1974,10(2):328-339.[4] Wang Enzhi.A study on the models of the ground water movement in fractured net works[C].Modeling in GroundwaterResources,Proceedings of the International Conference on Modeling Ground water Flow and Pollution,Nanjing Uni versityPress,Chi na,1991:414-421.[5] Long C S,Gilmour P,Witherspoon P A.A model for steady fluid flow in random three-dimensional networks of disc-shaped fractures[J].Water Resour.Res.,1985,21(8):1105-11153.[6] Dershowitz W S,et al.A new three dimensional model for flow i n fractured rock.Mem[J].Int.Assoc.Hydrogeol,1985,17(7):441-448.[7] 万力,李定方,李吉庆.三维裂隙网络的多边形单元渗流模型[J].水利水运科学研究,1993,(4):347-353.[8] 王恩志,王洪涛,孙役.三维裂隙网络渗流数值模型研究[J].工程力学,1997,14(增):520-525.3-D seepage flow model for discrete fracture network and verification experimentWANG En-zhi1,SUN Yi2,HUANG Yuan-zhi1,WANG Hu-i ming1(1 Tsinghua U nive rsity,Bei jing 100084,China;2 Hube i Qingjiang Hydroe lectric Powe r De velopme nt Co.,Ltd.,Y ic hang 443002,China)Abstract:The complicated fracture networks are divided into bel-t shaped fault,plane-shaped fracture and pipe-shaped structure,and a3-D seepage flow model c onsist of three types of fracture element is es-tablished.Experimental study is carried out in lab.to verify the reasonability of the model.The discrete rock blocks are modeled using concrete blocks.The seepage flow field obtained is in good agreement with the numerical simulation.Key words:fracture network;seepage flow;e xperiment;numerical simulation40。
