[发明专利]裂隙表面粗糙度的表征方法和渗流试验系统及试验方法

说明书

本发明公开了一种裂隙表面粗糙度的表征方法和渗流试验系统及试验方法，该表征方法将粗糙轮廓线微段的高差、斜率作为判断标准，将对渗流过程中压力降影响不大的线段忽略，并结合轮廓峰密度、分形计盒维数等多种参数对粗糙度φ₁、φ₂进行描述，将其应用到非达西流区域公式中时，无论数学形式还是物理意义上都能够保持一致；通过新的表征方法和公式的建立，使得非达西系数β和裂隙粗糙特性建立联系，该方法突出了沿水流方向的粗糙特性对流体流动过程中压力降的影响；通过对渗流试验系统的特别设计，可以准确测量隙宽变化，结合预制的不同裂隙面，可以研究无量纲量A_D、B_D与粗糙度参数φ₁、φ₂的具体函数形式及变化规律。

技术领域

本发明涉及一种裂隙表面粗糙度的表征方法和渗流试验系统及试验方法，属于渗流研究领域。

背景技术

裂隙岩体中的流体动量传输在大量工程现场应用普遍，包括矿山地热工作、地下隧道、地热能量提取、油气开采、污染物封存等，针对工程问题提取出的离散裂隙网络模型(DFN模型)普遍应用在渗流研究中，其中的单裂隙渗流是研究基础。单裂隙中水的流动过程满足N-S方程，对条件进行简化后得到达西流区域的关系，即通过平滑平板裂隙的流量Q与隙宽b的立方成正比，如下式所示：

上式中，Q为渗流流量，m³/s；w为过流面宽度，m；b为裂隙的机械隙宽，m；μ为流体的动力黏度，Pa·s；为裂隙两端的压力梯度，Pa/m。其中A_D值为f(12φ₁)，φ₁为代表粗糙度的一个无量纲数，当裂隙面完全光滑时，φ₁＝1，当裂隙面粗糙时，φ₁＞1。

在水力、隧道、石油开采等一系列实际工程建设的渗流特性分析中，越来越多的试验资料和监测资料证实了很多偏离达西渗流规律现象的存在，即渗流速度和水力坡降不呈线性关系，目前对于这种非线性出现的主要原因归结为：①由于裂隙粗糙流线迂曲，当水的流量增大时，由于水流速度和方向的变化，惯性力不可忽略。②紊流过程中形成的涡流导致能量耗散，这种条件下导致的压力降更大。③粗糙面导致流动的水阻增大。可见，裂隙面的粗糙特性对单裂隙渗流过程有重要影响，国内外用Forchheimer公式来描述非达西流区域的流量Q和压力降之间的关系，在此基础上进行无量纲化，如下式所示：

其中B_D/b＝β，β为非达西系数，m^-1，B_D为一个代表裂隙粗糙度的一个无量纲数，更偏向反映流体渗流过程中的压力非线性损失。

从以上的各公式可以看出，无论流体在达西流阶段或非达西流阶段，裂隙表面的粗糙特性都对流体状态的描述有重要影响，而由于裂隙粗糙面形状复杂，国内外大多用统计学方法或分形几何方法对其描述，但这些研究结果偏差较大。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够表征出表面裂隙粗糙度对非达西渗流的影响情况的裂隙表面粗糙度的表征方法，本发明还提供了用于研究裂隙表面粗糙度的渗流试验系统及试验方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种裂隙表面粗糙度的表征方法，首先取一段随机生成的具有平直基准线的粗糙曲线，该粗糙曲线由等间距的N个点组成，各个点的横坐标为x_i，纵坐标为z_i(1≤i≤N)，建立无量纲数A_D、B_D与粗糙度之间关系：

A_D＝f(12φ₁)

B_D＝f(φ₂)，