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.
In this study, the effects of fracture tensor component and first invariant on block hydraulic behaviors are evaluated in the 2-D DFN(discrete fracture network) systems. A series of regression analysis is performed between connected fracture tensor components and block hydraulic conductivities estimated at every $30^{\circ}$ hydraulic gradient directions for a total of 36 DFN systems having various joint density and size distribution. The directional block hydraulic conductivity seems to have strong relation with the fracture tensor component estimated in direction perpendicular to it. It is found that an equivalent continuum approach could be acceptable for the 2-D DFN systems under condition that the first invariant of fracture tensor is more than 2.0~2.5. The first invariant of fracture tensor seems highly correlated with average block hydraulic conductivity and can be used to evaluate hydraulic characteristics of the 2-D DFN systems. Also, a possibility of upscaling using the first invariant of fracture tensor for the DFN system is addressed through this study.
A stochastic continuum(SC) modeling technique was developed to simulate the groundwater flow pathway in fractured rocks. This model was developed to overcome the disadvantageous points of discrete fracture network(DFN) modes which has the limitation of fracture numbers. Besides, SC model is able to perform probabilistic analysis and to simulate the conductive groundwater pathway as discrete fracture network model. The SC model was formulated based on the discrete fracture network(DFN) model. The spatial distribution of permeability in the stochastic continuum model was defined by the probability distribution and variogram functions defined from the permeabilities of subdivided smaller blocks of the DFN model. The analysis of groundwater travel time was performed to show the consistency between DFN and SC models by the numerical experiment. It was found that the stochastic continuum modes was an appropriate way to provide the probability density distribution of groundwater velocity which is required for the probabilistic safety assessment of a radioactive waste disposal facility.
Jeong Woo Chang;Hwang Ma ha;Ko Ick Hwan;Song Jai Woo
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2005.05b
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pp.245-249
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2005
The numerical simulation of a two-phase flow In a discrete fracture network model is presented in this paper, The purpose of this work is to consider density-driven flows induced by the density difference between hot autochthonous heavy brines and injected cold water. Mechanical consequences of high pressure waves on the fracture permeability and heat exchanges between fluids and rock matrix are neglected in this study. The finite volume method is employed to discretize spatially and the system is solved by using an IMPES(Implicit Pressure-Explicit Saturation) scheme. In order to solve the strong non-linearity of the system, the Newton-Raphson algorithm is used. The well-known Buckeley-Leverett problem is adapted to validate results calculated from the model and a relatively good agreement is obtained.
Park, Jung Chan;Park, Seung Hun;Kim, Ha Yung;Kim, Geon-Young;Kwon, Sangki
Tunnel and Underground Space
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v.25
no.4
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pp.341-358
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2015
This study analyzes the relationship between parameters of the discontinuity in Discrete Fracture Network model such as fracture intensity, fracture orientation, fracture size, fracture shape etc. In this paper, FracMan code was used to model and analyze 3D DFN. A sensitivity analysis was performed in order to analyze the relationship between linear fracture intensity measure ($P_{10}$) and parameters of the discontinuity in $100m{\times}100m{\times}100m$ model area. As a result the sensitivity analysis showed that key parameters affecting fracture intensity are fracture orientation (Trend / Plunge). Conversion factor($C_{13}$) for $P_{10}$, to calculate volumetric fracture intensity measure ($P_{32}$), is derived in case of vertical well and horizontal well when trend is $10^{\circ}$, $30^{\circ}$, $60^{\circ}$, $90^{\circ}$, $120^{\circ}$, $150^{\circ}$, $180^{\circ}$ (7cases) and plunge is $5^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$, $85^{\circ}$ (7cases). It is expected that this paper can be used effectively for modeling and understanding DFN model.
Groundwater flow in fracture networks is simulated using a discrete fracture (DF) model which assume that groundwater flows only through the fracture network. This assumption is available if the permeability of rock matrix is very low. It is almost impossible to describe fracture networks perfectly, so a stochastic approach is used. The stochastic approach assumes that the characteristic parameters in fracture network have special distribution patterns. The stochastic model generates fracture networks with some characteristic parameters. The finite element method is used to compute fracture flows. One-dimensional line element is the element type of the finite elements. The simulation results are shown by dominant flow paths in the fracture network. The dominant flow path can be found from the simulated groundwater flow field. The model developed in this study provides the tool to estimate the influences of characteristic parameters on groundwater flow in fracture networks. The influences of some characteristic parameters on the frcture flow are estimated by the Monte Carlo simulation based on 30 realizations.
The effects of directional fracture tensor components and first invariant of fracture tensor on deformation moduli and shear moduli of fractured rock masses is analyzed based on regression analysis performed between 3-D fracture tensor parameters and deformability of DFN blocks. Using one or two deterministic joint sets, a total of 224 3-D discrete fracture network (DFN) cube blocks were generated with various configurations of deterministic density and probabilistic size distribution. The fracture tensor parameters were calculated for each generated DFN systems. Also, deformability moduli with respect to three perpendicular direction of the DFN cube blocks were estimated based on distinct element method. The larger the first invariant of fracture tensor, the smaller the values for the deformability moduli of the DFN blocks. These deformability properties present an asymptotic pattern above the certain threshold. It is found that power-law function describes the relationship between the directional deformability moduli and the corresponding fracture tensor components estimated in same direction.
Groundwater flow in fractured rock masses is controlled by combined effects of fracture networks, state of geostafic stresses and crossflow between fractures and rock matrix. Furthermore the scaie dependent, anisotropic properties of hydraulic parameters results mainly from irregular paftems of fracture system, which can not be evaluated properly with the methods available at present. The basic assumpfion of discrete fracture network model is that groundwater flows only along discrete fractures and the flow paths in rock mass are determined by geometric paftems of interconnected fractures. The characteristics of fracture distribution in space and fracture hydraulic parameters are represented as the probability density functions by stochastic simulation. The discrete fracture network modelling was aftempted to characterize the groundwater flow in the vicinity of existing large cavems located in Wonjeong-ri, Poseung-myon, Pyeungtaek-kun. The fracture data of $1\textrm{km}^2$ area were analysed. The result indicates that the fracture sets evaluated from an equal area projection can be grouped into 6 sets and the fracture sizes are distributed in longnormal. The conductive fracture density of set 1 shows the highest density of 0.37. The groundwater inflow into a carvem was calculated as 29ton/day with the fracture transmissivity of $10^{-8}\textrm{m}^2/s$. When the fracture transmissivity increases in an order, the inflow amount estimated increases dramatically as much as fold, i.e 651 ton/day. One of the great advantages of this model is a forward modelling which can provide a thinking tool for site characterization and allow to handle the quantitative data as well as qualitative data.
The evolution of the mining-induced fracture network formed during longwall top coal caving (LTCC) has a great influence on the gas drainage, roof control, top coal recovery ratio and engineering safety of aquifers. To reveal the evolution of the mining-induced stress and fracture network formed during LTCC, the fracture network in front of the working face was observed by borehole video experiments. A discrete element model was established by the universal discrete element code (UDEC) to explore the local stress distribution. The regression relationship between the fractal dimension of the fracture network and mining stress was established. The results revealed the following: (1) The mining disturbance had the most severe impact on the borehole depth range between approximately 10 m and 25 m. (2) The distribution of fractures was related to the lithology and its integrity. The coal seam was mainly microfractures, which formed a complex fracture network. The hard rock stratum was mainly included longitudinal cracks and separated fissures. (3) Through a numerical simulation, the stress distribution in front of the mining face and the development of the fracturing of the overlying rock were obtained. There was a quadratic relationship between the fractal dimension of the fractures and the mining stress. The results obtained herein will provide a reference for engineering projects under similar geological conditions.
Journal of the Korean Society of Groundwater Environment
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v.5
no.2
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pp.80-87
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1998
Since groundwater flow paths have one of the major roles to transport the radioactive nuclides from the radioactive waste repository to the biosphere, the discrete fracture network model is used for the rock block scale flow instead of the porous continuum model. This study aims to construct a three dimensional discrete fracture network to interpret the groundwater flow system in the study site. The modeling work includes the determination of the probabilistic distribution function from the fracture geometric and hydraulic parameters, three dimensional fracture modeling and model calibration. The results of the constant pressure tests performed in a fixed interval length at boreholes indicate that the flow dimension around boreholes shows mainly radial to spherical flow pattern. The fracture transmissivity value calculated by Cubic law is 6.12${\times}$10$\^$-7/ ㎡/sec with lognormal distribution. The conductive fracture intensity estimated by FracMan code is 1.73. Based on this intensity, the total number of conductive fractures are obtained as 3,080 in the rock block of 100 m${\times}$100 m${\times}$100 m.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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