In this study, a procedure was introduced to estimate strength and deformation modulus of the 3-D discrete fracture network(DFN) systems using the distinct element method(DEM). Fracture entities were treated as non-persistent square planes in the DFN systems. Systematically generated fictitious fractures having similar mechanical characteristics of intact rock were combined with non-persistent real fractures to create polyhedral blocks in the analysis domain. Strength and deformation modulus for 10 m cube domain of various deterministic and stochastic 3-D DFN systems were estimated using the DEM to explore the applicability of suggested method and to examine the effect of fracture geometry on strength and deformability of DFN systems. The suggested procedures were found to effective in estimating anisotropic strength and deformability of the 3-D DFN systems.
A three-dimensional discrete fracture network model was developed in order to simulate the hydraulic characteristics of a granitic rock mass at Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) Underground Research Tunnel (KURT). The model used a three-dimensional discrete fracture network (DFN), assuming a correlation between the length and aperture of the fractures, and a trapezoid flow path in the fractures. These assumptions that previous studies have not considered could make the developed model more practical and reasonable. The geologic and hydraulic data of the fractures were obtained in the rock mass at the KURT. Then, these data were applied to the developed fracture discrete network model. The model was applied in estimating the representative elementary volume (REV), the equivalent hydraulic conductivity tensors, and the amount of groundwater inflow into the tunnel. The developed discrete fracture network model can determine the REV size for the rock mass with respect to the hydraulic behavior and estimate the groundwater flow into the tunnel at the KURT. Therefore, the assumptions that the fracture length is correlated to the fracture aperture and the flow in a fracture occurs in a trapezoid shape appear to be effective in the DFN analysis used to estimate the hydraulic behavior of the fractured rock mass.
The purpose of this study is to demonstrate the effect of in-situ rock stresses on the deformability and permeability of fractured rocks. Geological data were taken from the site investigation at Forsmark, Sweden, conducted by Swedish Nuclear Fuel and Waste Man-agement Company (SKB). A set of numerical experiments was conducted to determine the equivalent mechanical properties (essentially, elastic moduli and Poisson's ratio) and permeability, using a Discrete Fracture Network-Discrete Element Method (DFN-DEM) approach. The results show that both mechanical properties and permeability are highly dependent on stress because of the hyperbolic nature of the stiffness of fractures, different closure behavior of fractures, and change of fluid pathways caused by deformation. This study shows that proper characterization and consideration of in-situ stress are important not only for boundary conditions of a selected site but also for the understanding of the mechanical and hydraulic behavior of fractured rocks.
Jineon, Kim;Jiwon, Cho;iIl-Seok, Kang;Jae-Joon, Song
Tunnel and Underground Space
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v.32
no.6
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pp.464-477
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2022
DFN (discrete fracture network) models that take account of spatial variability and correlation between rock fractures have been demanded for analysis of fractured rock mass behavior for wide areas with high reliability, such as that of underground nuclear waste repositories. In this regard, this report describes the spatial distribution characteristics of fracture networks, and the DFN modeling methodologies that aim to represent such characteristics. DFN modeling methods have been proposed to represent the spatial variability of rock fractures by defining fracture domains (Darcel et al., 2013) and the spatial correlation among fractures by genetic modeling techniques that imitate fracture growth processes (Davy et al., 2013, Libby et al., 2019, Lavoine et al., 2020).These methods, however, require further research for their application to field surveys and for modeling in-situ rock fracture networks.
Yao, Wen-li;Mostafa, Sharifzadeh;Ericson, Ericson;Yang, Zhen;Xu, Guang;Aldrich, Chris
Geomechanics and Engineering
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v.18
no.6
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pp.585-594
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2019
In-situ leaching could be one of the promising mining methods to extract the minerals from deep fractured rock mass. Constrained by the low permeability at depth, however, the performance does not meet the expectation. In fact, the rock mass permeability mainly depends on the pre-existing natural fractures and therefore play a crucial role in in-situ leaching performance. More importantly, fractures have various characteristics, such as aperture, persistence, and density, which have diverse contributions to the promising method. Hence, it is necessary to study the variation of fluid rate versus fracture parameters to enhance in-situ leaching performance. Firstly, the subsurface fractures from the depth of 1500m to 2500m were mapped using the discrete fracture network (DFN) in this paper, and then the numerical model was calibrated at a particular case. On this basis, the fluid flow through fractured rock mass with various fracture characteristics was analyzed. The simulation results showed that with the increase of Fisher' K value, which determine the fracture orientation, the flow rate firstly decreased and then increased. Subsequently, as another critical factor affecting the fluid flow in natural fractures, the fracture transmissivity has a direct relationship with the flow rate. Sensitive study shows that natural fracture characteristics play a critical role in in-situ leaching performance.
Extensive numerical experiments have been carried out to investigate effect of block size and fracture geometry on hydraulic characteristics of fractured rock masses based on connected pipe flow in DFN systems. Using two fracture sets, a total of 72 2-D fracture configurations were generated with different combinations of fracture size distribution and deterministic fracture density. The directional block conductivity including the theoretical block conductivity, principal conductivity tensor and average block conductivity for each generated fracture network system were calculated using the 2-D equivalent pipe network method. There exist significant effects of block size, orientation, density and size of fractures in a fractured rock mass on its hydraulic behavior. We have been further verified that it is more difficult to reach the REV size for the fluid flow network with decreasing intersection angle of two fracture sets, fracture plane density and fracture size distribution.
This paper compares the two- and three-dimensional (2D and 3D) approaches for the numerical determination of the equivalent mechanical properties of fractured rock masses. Both orthogonally-fractured model and discrete fracture networks (DFN) were used for the geometry and 2D models were cut in various directions from 3D model to compare their mechanical properties. Geological data were loosely based on the data available from Sellafield, UK. Analytical method based on compliance tensor transformation was used for investigation in orthogonally fractured rock and numerical experiments were conducted on fractured rock mass with DFN geometry. It is shown that 2D approach always overestimates the elastic modulus of fractured rock masses by a factor of up to around two because fractures are assumed to be perpendicular to the model plane in 2D problems. Poisson ratios tend to have larger values in 2D analysis while there is opposite trend in some sections. The study quantitatively demonstrates the limitation of the 2D approach that uses the simplified model from true 3D geometry.
Ha, Jaechul;Lee, Jeong Hwan;Cheong, Jae-yeol;Jung, Haeryong
The Journal of Engineering Geology
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v.26
no.1
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pp.87-99
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2016
We present the results of two-dimensional numerical simulations predicting the flow of groundwater in a fractured unsaturated zone. We applied the k-field distribution of permeability derived from discrete fracture network (DFN) modeling as the hydraulic properties of a model domain. To model an unsaturated zone, we set the depth from the ground surface to the underground aquifer. The rate of water infiltration into the unsaturated zone was divided into two parts, an artificial structure surface and unsaturated soil zone. The movement of groundwater through the unsaturated zone was simulated with particular emphasis on contaminant transport. It was clearly observed that the contaminants dissolved in groundwater transported vertically from the ground surface to the saturated zone.
Proceedings of the Korean Radioactive Waste Society Conference
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2009.06a
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pp.187-187
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2009
Opening of fractures induced by shear dilation or normal deformation can be a significant source of fracture permeability change in fractured rock, which is important for the performance assessment of geological repositories for spent nuclear fuel. As the repository generates heat and later cools the fluid-carrying ability of the rocks becomes a dynamic variable during the lifespan of the repository. Heating causes expansion of the rock close to the repository and, at the same time, contraction close to the surface. During the cooling phase of the repository, the opposite takes place. Heating and cooling together with the, virgin stress can induce shear dilation of fractures and deformation zones and change the flow field around the repository. The objectives of this work are to examine the contribution of thermal stress to the shear slip of fracture in mid- and far-field around a KBS-3 type of repository and to investigate the effect of evolution of stress on the rock mass permeability. In the first part of this study, zones of fracture shear slip were examined by conducting a three-dimensional, thermo-mechanical analysis of a spent fuel repository model in the size of 2 km $\times$ 2 km $\times$ 800 m. Stress evolutions of importance for fracture shear slip are: (1) comparatively high horizontal compressive thermal stress at the repository level, (2) generation of vertical tensile thermal stress right above the repository, (3) horizontal tensile stress near the surface, which can induce tensile failure, and generation of shear stresses at the comers of the repository. In the second part of the study, fracture data from Forsmark, Sweden is used to establish fracture network models (DFN). Stress paths obtained from the thermo-mechanical analysis were used as boundary conditions in DFN-DEM (Discrete Element Method) analysis of six DFN models at the repository level. Increases of permeability up to a factor of four were observed during thermal loading history and shear dilation of fractures was not recovered after cooling of the repository. An understanding of the stress path and potential areas of slip induced shear dilation and related permeability changes during the lifetime of a repository for spent nuclear fuel is of utmost importance for analysing long-term safety. The result of this study will assist in identifying critical areas around a repository where fracture shear slip is likely to develop. The presentation also includes a brief introduction to the ongoing site investigation on two candidate sites for geological repository in Sweden.
Ha, Jaechul;Cheong, Jae-yeol;Kim, Soogin;Yoon, Jeonghyoun
The Journal of Engineering Geology
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v.26
no.3
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pp.325-330
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2016
The second phase of low- and intermediate-level waste (LILW) disposal facility is under planned on the sedimentary rock in unsaturated zone. In this study, we created two meshes which were a matrix continuum mesh and a fracture continuum mesh to carry out 2 dimensional numerical modeling for groundwater flow in the unsaturated zone containing fractures focused on the second phase of LILW disposal facility. Two continuum meshes were developed using MINC in meshmaker module of TOUGH2 code. A fracture continuum mesh was included the k-field distribution of the permeability derived from the Discrete Fractured Network (DFN) modeling. To apply the unsaturated zone for the modeling, the gridding steps to generate mesh were developed. Each step to generate a mesh consisted of definition of materials, setting the initial conditions and creating grids using MINC. The methodology development of meshes in this study will be applied for more precise modeling of groundwater flow and mass transport.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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