Résumé :
La bonne compréhension des phénomènes qui régissent l’écoulement au sein d’une fissure unique est souvent primordiale lorsqu’on s’intéresse à l’écoulement dans les massifs rocheux fissurés, en particulier pour les problèmes nécessitant une échelle d’observation inférieure à l’échelle régionale (de 10-2 à 102 m). Ce travail est axé sur l’étude de l’influence des irrégularités des surfaces des fissures (que l’on appelle couramment « rugosité ») sur les pertes de charge subies par un fluide les parcourant.
La première partie du travail est donc consacrée à la caractérisation de la rugosité des surfaces des fissures dans les roches. Dans cette étude, nous avons investigué expérimentalement l’applicabilité de quelques paramètres, a priori favorables à la caractérisation de surface des roches, choisis parmi les nombreux paramètres existant dans le domaine de l’ingénieur en général. Des mesures profilométriques ont été réalisées sur 7 types de roches différentes, pour 2 modes de fracturation (cisaillement et traction). A l’analyse de la variabilité des paramètres étudiés (en fonction du type de roche et du mode de fracturation) et des dépendances entre ces différents paramètres, on peut conclure que l’utilisation de la dimension fractale des profils de rugosité s’avère judicieuse car il s’agit de figures auto-affines (mais non auto-similaires) et que ce paramètre ajoute une information complémentaire (non corrélée) aux paramètres plus classiques que sont les moyennes arithmétique et quadratique des hauteurs de pics. Parmi les méthodes d’estimation de la dimension fractale, l’analyse du semi-variogramme est la plus efficace et la plus fiable. Les paramètres descriptifs semi-quantitatifs comme le Joint Roughness Coefficient (JRC), par exemple, possèdent une gamme de variation trop faible que pour permettre de discerner nettement deux fissures possédant parfois une texture et un comportement hydraulique fort différents.
La deuxième partie du travail est une étude expérimentale de l’influence de la rugosité (paramétrée à l’aide des grandeurs mises en évidence dans la première partie) sur les pertes de charges subies par un fluide parcourant une fissure. Les fissures investiguées ont des faces complémentaires presque parfaitement parallèles et une dimension d’approximativement 30 mm par 80 mm, avec des ouvertures variant de 30 à 100 μm et de 0.3 à 1.2 mm. Les résultats obtenus montrent que l’écoulement s’écarte assez nettement de l’écoulement plan de Poiseuille (ou loi cubique, valable en fissure lisse) à cause des pertes supplémentaires par frottements dues aux micro-tourbillons induits par la rugosité, et à la tortuosité qui allonge le trajet du fluide dans le cas d’un écoulement de type laminaire. En outre, les écarts observés sont également dus à l’apparition d’une turbulence, partielle ou totale, pour des nombres de Reynolds d’autant plus petits que la rugosité relative (rapport entre un paramètre de rugosité et le diamètre hydraulique de la fissure) est élevée. Des modèles semi-empiriques de prédiction de perte de charge en fonction de la rugosité, de l’ouverture des fissures et de la vitesse d’écoulement, sont donc proposés sur base d’une analyse statistique des résultats expérimentaux. Il apparaît que le meilleur paramètre de rugosité relative permettant la prédiction de ces pertes de charge est un paramètre fonction de la tortuosité, de la dimension fractale (calculée à l’aide de la méthode d’analyse du semi-variogramme) et de l’ouverture de la fissure.
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Abstract :
A good comprehension of the phenomena governing the flow within a single fracture is often of primary importance for studying the flow in fractured rock masses, particularly for the problems requiring an observation scale smaller than the regional scale (from 10-2 to 102 m). This work is focused on the study of the influence of joint surfaces irregularities (usually called “roughness”) on the pressure losses undergone by a fluid along them.
The first part of the thesis is thus devoted to the roughness characterization of rock fractures surfaces. Several parameters, assumed to be meaningful for the characterization of rock surfaces, have been chosen among the many parameters existing in the engineering field in general, and were experimentally investigated. Profilometries were carried out on 7 rock types, for 2 failure mode (shearing and tensile). The analysis of the variability of the studied parameters (according to rock type and failure mode) and dependences between each other, have shown that the use of fractal dimension of roughness profiles is judicious because of two reasons. Firstly, the self-affinity (but no self-similarity) is clearly visible on experimental results. Secondly, the fractal dimension adds complementary information in comparison to more traditional parameters such the arithmetic and quadratic mean values of peaks heights. Among the methods used for estimating fractal dimension, the variogram analysis is the most effective and the most reliable one. Semi-quantitative descriptive parameters like the Joint Roughness Coefficient (JRC) have a too narrow range of variation : two fractures can sometimes have the same JRC but their hydraulic behaviour can be extremely different.
The second part of the work is an experimental study of the influence of roughness (using the parameters highlighted in the first part) on the pressure losses undergone by a fluid through a rock fracture. Experimental fractures have almost perfectly parallel interlocked faces, and a dimension of about 30 mm by 80 mm, with openings varying from 30 to 100 μm and 0.3 to 1.2 mm. The results show that the flow deviates rather clearly from the Poiseuille plane flow (or “cubic law”, valid for smooth fractures) because of additional losses by frictions due to the micro-swirls induced by roughness, and because of the tortuosity which lengthens the flow path in the laminar case. Moreover, the observed deviations are also due to the onset of partial or total turbulence for smaller Reynolds numbers as higher relative roughness (relationship between a roughness parameter and the hydraulic diameter of the crack). Semi-empirical models predicting pressure loss according to the roughness, to the opening of the cracks and to the flow rate are thus proposed on the basis of a statistical analysis of the experimental results. It appears that the best relative roughness parameters allowing the prediction of these pressure losses depends on the tortuosity, on the fractal dimension (calculated using the variogram analysis method) and on the fracture opening.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:BICfB/oai:fpms.ac.be:ETDFPMS:FPMSetd-01122007-105952 |
| Date | 04 December 2006 |
| Creators | Legrain, Hughes |
| Contributors | van Wageningen, N., Vandycke, S., Schroeder, C., Rorive, A., Mostade, M., Lybaert, P., Coussement, G., Patigny, J., Tshibangu, J.-P. |
| Publisher | Faculte Polytechnique de Mons |
| Source Sets | Bibliothèque interuniversitaire de la Communauté française de Belgique |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | text |
| Format | application/pdf |
| Source | http://theses.fpms.ac.be/ETD-db/collection/available/FPMSetd-01122007-105952/ |
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