A Study of the Influence of Void Geometry on Fracture Closure and Permeability

간극의 기하학적 특성이 절리의 수직변형 및 투수성에 미치는 영향에 관한 연구

  • Published : 2002.12.01

Abstract

This study reports the influence of vocid geometry on fracture closure and permeability from numerical experiments. As the aperture distributions of rock fractures are characterized by statistical methods, synthetic fractures have successfully been simulated in this way. Based on the generated fracture models, models for fracture closure and flow calculation have been developed. A fracture closure model has been developed by considering the asperity compression and half-space deformation, and flow calculations have been performed using a finite difference method adopting a local cubic law. The results of numerical experiments have shown that the increase in the aperture spatial correlation leads the fracture closure and the decrease in fracture permeability to increase. Also, it has been indicated that there is an implicit relation between fracture normal stiffness and permeability. The importance of this study is to enhance the understanding the hydro-mechanical behavior of fractured rock massed due to engineering projects.

절리의 기하학적 특성이 절리의 수직변형 및 투수성에 미치는 영향에 대해 수치해석적 방법을 통해 연구하였다. 실험적 계측 결과에 의하면, 절리의 간극은 통계적 방법에 의해 묘사되며 이에 근거하여 수치해석에 사용할 수 있는 절리를 모사할 수 있었다. 이를 위해. 자동 상관관계 함수를 이용하여 다양한 공간 상관길이의 인공 절리를 발생하였으며, 이를 토대로 수직변천 모델 및 수리해석 모델을 개발하였다. 수직변형 모델은 수직응력에 의한 절리면의 압축과 변형을 고려하여 절리의 변형거동을 해석하려 시도하였으며, cubic law에 근거한 유한차분법을 이용하여 수리해석을 수행하였다. 여러 가지 공간 상관길이의 인공 절리에 대한 수직변형 거동 및 이에 따른 수리해석의 결과, 간극의 공간 상관길이가 증가함에 따라 절리의 수직변형 및 투수성 감소가 분명하였다. 절리의 수직강성 역시 간극의 상관길이에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 이로 인해 절리의 투수성이 수직강성과 내재적 관계가 있음을 유추할 수 있겠다. 본 연구 결과는 공학적 프로젝트로 인한 절리 암반의 수리-역학적 거동을 이해하는데 공헌할 것으로 사료된다.

Keywords

References

  1. 터널과 지하공간(한국암반공학회지) v.10 no.2 시메트현탁액 주입에 의한 신선한 암석절리의 역학적 특성 변화 김태혁;이정인
  2. 터널과 지하공간(한국암반공학회지) v.10 no.1 압축과 전단 하중을받는 인공 암석 절리의 수리적 거동에 관한 실험적 연구 이희석;박연준;유광호;이희근
  3. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. v.20 Fundamentals of rock joint deformation Bandis, S.C.;A.C. Lumsden;N.R. Barton
  4. J. Geopys. Res. v.90 Broad bandwidth study of the topography of natural rock surfaces Brown, S.R.;C.H. Scholz
  5. J. Geophys. Res. v.92 Fluid flow through rock joints: The effect of surface roughness Brown, S. R.
  6. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. v.29 Natural joints in rock: Mechanical, hydraulic and seismic behavior and properties under normal stress Cook, N.G.W.
  7. J. Geophys. Res. v.99 Self-propping and fluid flow in slightly offset joints at high effective pressure Durham, W.B.;B.P. Bonner
  8. Proc. 23rd Rock Mech. Symp. The effects of fracture type (induced versus natural) on the stress-fracture closure-fracture permeability relationships Gale, J.E.
  9. Proc. 28th U.S. Symp. Rock Mech. Comparison of coupled fracture deformation and fluid flow models with direct measurements of fracture and stress-flow properties Gale, J.E.
  10. Method of geological engineering in discontinuous rocks Goodman, R.E.
  11. Proc. R. Soc. v.A295 Contact of norminally flat surface Greenwood, J.A.;I.W. Williamson
  12. Ph.D. thesis, University of California The effect of surface roughness on joint stiffness, aperture, and acoustic wave propagation Hopkins, D.L.
  13. Proc. Eurock 1993 Symp. Stochastic analysis of surface roughness, apperture and flow in a single fracture Iwano, M.;H.H. Einstein
  14. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. v.37 A random field model for surface roughness and aperture of rock fractures Lanaro, F.
  15. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. v.38 Empirical parameters for non-linear fracture stiffness from numerical experiments of fracture closure Lee, S.D.;J.P. Harrison
  16. Ph.D. thesis, Imperial College A study of the influence of surface and void geometry on the hydro-mechanical behaviour of rock fractures Lee, S.D.
  17. Water Resour. Res. v.24 Rlow and tracer transport in a single frature: A stochastic model and its relation to some field observations Moreno, L.;Y.W. Tsang;C.F. Tsang;F.V. Hale;I. Neretnieks
  18. Wear v.47 A numerical procedure for random generation of rough surfaces Patir, N.
  19. Proc. 6th Congr. Rock Mech. Hydraulic and mechanical properties of natural fractures in low permeability rock Pyrak-Nolte, L.J.;L.R. Myer;N.G.W. Cook;P.A. Witherspoon
  20. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. v.37 Single fractures under normal stress: The relation between fracture specific stiffness and fluid flow Pyrak-Nolte, L.J.;J.P. Morris
  21. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. v.22 Water flow in a natural rock fracture as a function of stress and sample size Raven, K.G.;J.E. Gale
  22. Theory of elasticity (3rd) Timoshenko, S.P.;J.N. Goodier
  23. Water Resour. Res. v.25 Flow channeling in a single fracture as a two-dimensional strongly heterogeneous permeable medium Tsang, Y.W.;C.F. Tsang
  24. Water Resour. Res. v.16 Validity of cubic law for fluid flow in a deformable rock fracture Witherspoon, P.A.;J.S.Y. Wang;K. Iwai;J.E. Gale
  25. Transport in Porous Media v.23 Hydraulic conductivity of rock fractures Zimmerman. R.W.;G.S. Bodvarsson