This study focuses on numerical modeling of fluid flow and solute transport in rough-walled rock fractures and fracture-matrix systems, with the main aim to investigate the impacts of fracture surface roughness on flow and transport processes in rock fractures. Both 2D and 3D fracture models were built from laser-scanned surface tomography of a real granite rock sample, to consider realistic features of surface tomography and potential asperity contacts. The flow was simulated by directly solving the Navier-Stokes equations (NSE) and the transport was modeled by solving the advection-dispersion equation (ADE) in the entire domain of fracture-matrix system, including matrix diffusion process. Such direct simulations provided detailed flow and concentration fields for quantitatively analysis of flow and transport behavior. The detailed analysis of surface roughness decomposition, complex flow patterns (i.e., channeling, transverse and eddy flows), effective advective flow apertures, effective transmissivity, effective dispersivity, residence time, transport resistance and specific surface area demonstrated significant impacts of realistic fracture surface roughness on fluid flow and solute transport processes in rock fractures. The results show that the surface roughness and shear displacement caused asperity contacts significantly enhance nonlinearity and complexity of flow and transport processes in rough-walled fractures and fracture-matrix systems. The surface roughness also causes invasion flows in intersected fractures which enhance solute mixing at fracture intersections. Therefore, the fracture surface roughness is an important source of uncertainty in application of such simplified models like cubic law (CL) for fluid flow and analytical solutions for solute transport in rock fractures. The research conducted advances our understanding of realistic flow and transport processes in natural fractured rocks. The results are useful for model validation/extension, uncertainty analysis/quantification and laboratory experiments design in the context of various applications related to fracture flow and transport. / Denna studie fokuserar på numerisk modellering av vätskeflöde och transport av lösta ämnen i frakturer med ojämna väggar samt fraktur-matrissystem, med det huvudsakliga syftet att undersöka effekterna av frakturernas ytjämnhet på flödes- och transportprocesser i bergsfrakturer. Både 2D och 3D modeller skapades utifrån laser skannad tomografi av ett verkligt bergartsprov av granit, för att överväga de realistiska egenskaperna hos ytan och potentiell skrovlighet. Flödet simulerades genom att lösa Navier-Stokes ekvationer (NSE) och transporten modellerades genom att lösa advektion-dispersion ekvation (ADE) i hela domänen av fraktur-matrissystemet, inklusive diffusions process i matrisen. Sådana direkta simuleringar resulterade i detaljerade flödes- och koncentrationsfält för att kvantitativt kunna analysera flödet och transportbeteendet. En detaljerad analys av upplösningen av ytjämnhet, komplexa flödesmönster (dvs kanalisering, tvärgående och virvelströmmar), effektiv advektiv flödesöppning, effektiv transmissivitet, effektiv dispersivitet, uppehållstid, transport motstånd och specifik yta visade signifikanta effekter av realistiska ojämna frakturväggar på vätskeflöde och lösta transportprocesser i bergssprickor. Resultaten visar att ytjämnhet och skjuvningssystemsorsakade asperitetskontakter avsevärt förbättrar olinjäritet och komplexitet av flödes- och transportprocesser i frakturer med ojämna väggar samt fraktur-matrissystem. Ytråheten orsakar också intrång av flöde i tvärgående frakturer vilket ökar blandingen av lösta ämnen i korsningarna. Därför är ytjämnhet av frakturerna en viktig källa till osäkerhet i tillämpningen av sådana förenklade modeller som kubisk lag (CL) för vätskeflöde och analytiska lösningar för transport av lösta ämnen i bergsfrakturer. Studien har ökat förståelsen för realistiska flödes- och transportprocesser i naturligt sprucket berg. Resultaten är användbara för modellvalidering/förlängning, osäkerhetsanalys/kvantifiering och design av laboratorieexperiment i samband med olika tillämpningar av flöde och transport i bergsfrakturer. / <p>QC 20161010</p>

Grouting has long been implemented as a ground improvement technique to reduce the seepage through the rock mass. Grout curtains are usually constructed under dams as a barrier to prevent leakage from the reservoir. So far, the grout curtains under dams have mainly been designed by using an empirical design approach. However, the empirical approach has its limitations. Generally, the usage of “rules of thumbs” makes the design highly dependent on the experience of the designers. Lack of experience can result in insufficient or over-conservative grout curtains. For example, the stop criteria for the grouting process adopted by the empirical approach can lead to long grouting time and thus becomes inefficient. In addition, high grouting pressure may cause unexpected deformations of the rock and open up new leakage paths. To deal with these limitations, a theory-based design methodology has been developed. Theories on rock grouting developed in recent decades are used to build up the design methodology. In the theory-based design methodology, the grout curtain is treated as a structural component in the dam foundation. The geometry and location of the grout curtain is first designed with respect to three requirements: (i) the hydraulic conductivity reduction, (ii) prevention of erosion of fracture infillings and (iii) optimization of uplift reduction. Grouting work is then designed to obtain the designed geometry of the grout curtain. In the design of the grouting work, analytical calculations are implemented to determine the grouting pressure, grouting time and grout hole layout. The stop criteria are based on the grouting time, which is believed to obtain better efficiency. The principles of the observational method are implemented to deal with the uncertainties involved in the grouting process.  One of the main limitations with the proposed methodology is the limited research on the erosion process of fracture infilling materials in flowing water. To study this issue, coupled numerical analyses are performed to better understand the initiation of erosion of fracture infillings. The results show that the Hjulström and Shields diagram are not appropriate to be used to estimate the incipient motion of fracture infilling materials. Instead, a previous equation derived under laminar flows shows better agreement with the results. / Injektering har länge använts som en metod för att förstärka grunden och reducera vattenflödet i en bergmassa. Injekteringsridåer uppförs ofta under dammar som en barriär med syfte att förhindra läckage av magasinets vatten. Hittills har injekteringsridåerna i huvudsak dimensionerats baserat på empiriska metoder. De empiriska metoderna har emellertid sina begränsningar. Användandet av olika tumregler resulterar i att dimensioneringen i hög utsträckning är beroende av ingenjörens erfarenhet. Brist på erfarenhet kan resultera i en ineffektiv, eller en för konservativ, utformning av injekteringsridåerna. Till exempel kan de stoppkriterier som tillämpas i det empiriska tillvägagångssättet leda till en för lång injekteringstid och därmed bli ineffektiv. Utöver detta kan höga injekteringstryck leda till oväntade deformationer i bergmassan och nya läckagevägar.  För att hantera dessa typer av begränsningar har en teoribaserad dimensioneringsmetodik utvecklats. Teorier för berginjektering som utvecklats under de senaste decennierna används för att bygga upp metodiken. I metodiken utformas injekteringsridån som en strukturell komponent i berggrunden under dammen. Den geometriska utformningen och läget för injekteringsridån bestäms med hänsyn till tre kriterier: (i) erforderlig reduktion av den hydrauliska konduktiviteten, (ii) förhindrande av erosion av sprickfyllnadsmaterial, och (iii) optimering av reduktionen i upptryck under dammen. Injekteringsarbetet utformas därefter i syfte att eftersträva den erforderliga utformningen. I utformningen av injekteringsarbetet används analytiska beräkningar för att bestämma injekteringstryck, injekteringstid och hålavstånd. Stoppkriterier baseras på erforderlig injekteringstid, vilket bedöms uppnå en mer effektiv injektering. Principerna för observationsmetoden används för att hantera de osäkerheter som kvarstår. En av de huvudsakliga begränsningarna med den föreslagna metodiken är den begränsade kunskapen som idag finns om erosion av sprickfyllnadsmaterial vid flödande vatten. För att studera denna fråga genomfördes kopplade numeriska analyser för att bättre förstå processen kring initiering av erosion av sprickfyllnadsmaterial. Resultaten visar att Hjulströms och Shields diagram inte är lämpliga att använda. Istället visar en tidigare framtagen ekvation för laminära förhållanden en bättre överensstämmelse. / <p>QC 210512</p>

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22051号 / 工博第4632号 / 新制||工||1722(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 岸田 潔, 教授 木村 亮, 教授 小池 克明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM