工程科学学报.第43卷，第7期：915-924.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:915-924,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.26.001;http://cje.ustb.edu.cn 单轴压缩条件下裂隙粗糙度对渗透系数的影响 王 帅)四，于庆磊》，王玲) 1)华北理工大学矿业工程学院，唐山0632102)东北大学岩石破裂与失稳研究中心，沈阳110004 ☒通信作者，E-mail:wangshuai(@ncst.edu.cn 摘要裂隙粗糙度是影响裂隙岩体渗流特性和流体流动复杂性的重要因索，为了深入研究单轴压缩条件下粗糙度对渗透 系数的影响，采用3D打印技术和数字建模方法制备了粗糙度不同的裂隙试样，通过自制的试验装置对不同法向压力下的裂 隙试样进行了试验.结果表明，在没有法向压力的条件下，随着粗糙度的增加，渗透系数以负指数函数形式减小，采用 Forchheimer方程定量的分析了渗流流量与水力梯度之间的非线性关系.Forchheimer方程可以很好地描述粗糙裂隙表面的流 动过程，线性项系数随着粗糙度的增大而减小，非线性项系数随着粗糙度的增大而增大；在恒定法向压力且大于水压的条件 下，裂隙试样的渗透系数随着粗糙度的增大线性减小，随着水压的增大，粗糙度对渗透系数的影响作用增强：定义了系数6，分 析了在有无法向压力条件下，粗糙度对渗透系数影响的差异性，6随着水力梯度的增加而增加，随着法向压力的增加而减小 研究结果可以加深对粗糙裂隙表面流体流动的认识，为进一步研究岩体流动特性奠定坚实的基础 关键词粗糙度：渗透系数：裂隙试样：3D打印：单轴压缩 分类号TG142.71 Effect of fracture roughness on permeability coefficient under uniaxial compression WANG Shuai,YU Qing-le,WANG Ling 1)School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China 2)Center for Rock Instability Seismicity Research,Northeastern University,Shenyang 110004,China Corresponding author,E-mail:wangshuai@ncst.edu.cn ABSTRACT The surface roughness of natural rock-fractures is an important factor affecting the fractured rock mass flow characteristics and further complicating the flow process in the natural fractures.To further study the influence of the fracture surface roughness on the permeability coefficient under uniaxial compression and different hydraulic pressures,3D printing technology and digital modeling were utilized to prepare the fracture specimens with different fracture surface roughnesses and laboratory permeability tests were conducted through a self-made testing device under different normal pressures and different hydraulic pressures.The experimental results show that in the absence of normal pressure,the rough fracture specimens permeability decreases in a negative exponential form with the increase in the fracture surface roughness.The Forchheimer equation is used to quantitatively describe the nonlinear relationship between seepage flow rate and hydraulic gradients.The regression analyses of the experimental data indicate that the Forchheimer equation provides a good description of the flow process through the rough fracture surface.With the increase in the fracture surface roughness,the linear term coefficient decreases,while the nonlinear term coefficient increases.Under the conditions of fixed normal pressure and normal pressure greater than hydraulic pressure,the fracture specimens permeability decreases linearly with the increase in the fracture surface roughness,and the influence of the fracture surface roughness on the permeability increases with the increase in the hydraulic pressure.The coefficient 6 was used to analyze the difference between the influences of fracture surface roughness on the permeability under normal pressure and without normal pressure.The coefficient increases with the increase in the 收稿日期：2020-05-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574060)：国家重点研发计划资助项目(2016Y下C0801602):唐山市科技计划资助项目(19130216g)单轴压缩条件下裂隙粗糙度对渗透系数的影响 王    帅1) 苣，于庆磊2)，王    玲1) 1) 华北理工大学矿业工程学院，唐山 063210    2) 东北大学岩石破裂与失稳研究中心，沈阳 110004 苣通信作者，E-mail：wangshuai@ncst.edu.cn δ δ 摘    要    裂隙粗糙度是影响裂隙岩体渗流特性和流体流动复杂性的重要因素，为了深入研究单轴压缩条件下粗糙度对渗透 系数的影响，采用 3D 打印技术和数字建模方法制备了粗糙度不同的裂隙试样，通过自制的试验装置对不同法向压力下的裂 隙试样进行了试验. 结果表明，在没有法向压力的条件下，随着粗糙度的增加，渗透系数以负指数函数形式减小，采用 Forchheimer 方程定量的分析了渗流流量与水力梯度之间的非线性关系，Forchheimer 方程可以很好地描述粗糙裂隙表面的流 动过程，线性项系数随着粗糙度的增大而减小，非线性项系数随着粗糙度的增大而增大；在恒定法向压力且大于水压的条件 下，裂隙试样的渗透系数随着粗糙度的增大线性减小，随着水压的增大，粗糙度对渗透系数的影响作用增强；定义了系数 ，分 析了在有无法向压力条件下，粗糙度对渗透系数影响的差异性， 随着水力梯度的增加而增加，随着法向压力的增加而减小. 研究结果可以加深对粗糙裂隙表面流体流动的认识，为进一步研究岩体流动特性奠定坚实的基础. 关键词    粗糙度；渗透系数；裂隙试样；3D 打印；单轴压缩 分类号    TG142.71 Effect of fracture roughness on permeability coefficient under uniaxial compression WANG Shuai1) 苣 ，YU Qing-lei2) ，WANG Ling1) 1) School of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China 2) Center for Rock Instability & Seismicity Research, Northeastern University, Shenyang 110004, China 苣 Corresponding author, E-mail: wangshuai@ncst.edu.cn δ δ ABSTRACT    The  surface  roughness  of  natural  rock-fractures  is  an  important  factor  affecting  the  fractured  rock  mass  flow characteristics and further complicating the flow process in the natural fractures. To further study the influence of the fracture surface roughness  on  the  permeability  coefficient  under  uniaxial  compression  and  different  hydraulic  pressures,  3D  printing  technology  and digital modeling were utilized to prepare the fracture specimens with different fracture surface roughnesses and laboratory permeability tests  were  conducted  through  a  self-made  testing  device  under  different  normal  pressures  and  different  hydraulic  pressures.  The experimental  results  show  that  in  the  absence  of  normal  pressure,  the  rough  fracture  specimens  permeability  decreases  in  a  negative exponential form with the increase in the fracture surface roughness. The Forchheimer equation is used to quantitatively describe the nonlinear relationship between seepage flow rate and hydraulic gradients. The regression analyses of the experimental data indicate that the Forchheimer equation provides a good description of the flow process through the rough fracture surface. With the increase in the fracture surface roughness, the linear term coefficient decreases, while the nonlinear term coefficient increases. Under the conditions of fixed normal pressure and normal pressure greater than hydraulic pressure, the fracture specimens permeability decreases linearly with the increase in the fracture surface roughness, and the influence of the fracture surface roughness on the permeability increases with the increase  in  the  hydraulic  pressure.  The  coefficient was  used  to  analyze  the  difference  between  the  influences  of  fracture  surface roughness on the permeability under normal pressure and without normal pressure. The coefficient increases with the increase in the 收稿日期: 2020−05−26 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51574060）；国家重点研发计划资助项目（2016YFC0801602）；唐山市科技计划资助项目（19130216g） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：915−924，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 915−924, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.26.001; http://cje.ustb.edu.cn