Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de mécanique des roches LMR)

Laminar ground water flow through stochastic channel networks in rock

Bruines, Patrick ; Egger, Peter (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2736.

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    Summary
    The flow through fractured rock is of great importance for many civil engineering projects, for example, when considering the safe storage of nuclear waste or the stability and profitability of dams, tunnels and slopes. How the fluid actually flows through a fractured rockmass is still a matter of vivid discussion within the hydrogeologic community. Various approaches to calculate the flow through a fractured rockmass exist. Which approach is best depends on the rockmass properties and the size of the rockmass under investigation. This study presents a new model which assumes that groundwater flow will take place preferably at the intersection of fractures. Study of the scientific literature showed that flow through intersections of fractures exists and can play a major role in flow through a fractured rockmass. Fieldwork has been conducted at outcrops close to Granada, Spain. At these outcrops fossilized flow paths have been observed at the intersections of fractures. During this fieldwork, fracture data have been gathered, which could be used to reconstruct the fracture geometry. As part of this research a mathematical model has been developed to simulate flow along the intersections of fractures, neglecting flow within the fractures or through the rock matrix. To this end a computer program, CPA, developed for a different purpose, has been modified and completed in order to generate a stochastic tubular network of fracture intersections and calculate flow rates through this network. The new version of the CPA code has been applied to a number of problems to test the correctness of the model and investigate the effects of the different input parameters. The application part of this study can be roughly divided into: network generation, sensitivity analysis, and the comparison with a model, Joint-OKY, that assumes flow to take place through the fractures. The field data gathered during fieldwork in Spain have been used to confirm the geometric modelling capabilities of the CPA program. A comparison between the network model generated by CPA and the observations in the field showed good agreement. The use of an eigenvec- tor approach to represent fracture orientation distribution has proven to be a good and simple method. To better understand the influence of various input parameters in the CPA model, sensitivity analyses were performed on the models generated by the CPA code. The following parameters have been investigated: fracture density, size of the model area, fracture size and anisotropy of conductivity. Finally a comparison between the CPA code and the Joint-OKY code, which assumes flow to take place within the plane of the fractures, has been made. This comparison showed that a model assuming flow within the fractures is more conductive. Further studies are needed to better include the transport of contaminants in the current CPA program.
    Zusammenfassung
    Die Durchströmung von zerklüftetem Gestein ist von grosser Bedeutung bei vielen Ingenieurvorhaben wie zum Beispiel bei der Erstellung von Lagerstätten nuklearer Abfälle sowie der Stabilitätsbetrachtung von Dämmen, Tunneln und Hängen. Wie die Flüssigkeit jedoch tatsächlich durch zerklüftetes Gestein fliesst, wird in den Kreisen der Hydrogeologie noch immer lebhaft diskutiert. Es bestehen verschiedene Ansätze, um die Strömung durch zerklüftete Medien zu berechnen. Welcher am besten zutrifft, hängt von den Gesteinseigenschaften und der Grösse der Gesteinsmasse ab, welche untersucht wird. Diese Studie präsentiert ein neues Modell, welches davon ausgeht, dass Grundwasser präferenziell den Schnittlinien der Klüfte entlang strömt. Eine Literaturstudie ergab, dass Strömung entlang der Schnittlinien der Klüfte existiert und eine wichtige Rolle spielen kann bei der Durchströmung zerklüfteter Medien. In der Nähe von Granada, Spanien, wurde eine Feldforschung an Aufschlüssen durchgeführt. An diesen Aufschlüssen wurden an den Schnittlinien von Klüften fossile Fliesspfade wahrgenommen. Während dieser Feldforschung wurden Kluftdaten aufgezeichnet, die es ermöglichten, die Kluftgeometrie zu rekonstruieren. Teil dieser Forschung war die Entwicklung eines mathematischen Modells, um Strömung an den Schnittlinien der Klüfte zu simulieren, wobei die Durchströmung sowohl der Klüfte als auch des porösen Gesteins ignoriert wurde. Das für einen anderen Zweck entwickelte CPA-Computerprogramm wurde abgeändert und erweitert, um stochastisch ein Röhrennetzwerk aus den Schnittlinien der Klüfte zu generieren und die Durchflussmenge durch das Netzwerk zu berechnen. Das CPA-Programm wurde in einer Reihe von Testrechnungen angewendet, um die Richtigkeit des Modells festzustellen und die Effekte der verschiedenen Eingangsparameter zu untersuchen. Die Versuchsreihe kann dabei unterteilt werden in: Netzwerkgenerierung, Empfindlichkeitsanalyse und einen Vergleich mit einem Programm (Joint-OKY), welches von der Annahme der Strömung durch die Klüfte ausgeht. Die gesammelten Felddaten aus Spanien wurden benutzt, um die Fähigkeiten der geometrischen Modellierung des CPA-Programmes zu überprüfen. Der Vergleich zwischen realem und generiertem Kluftgefüge zeigte eine gute Übereinstimmung. Die Benutzung von Eigenvektoren, um eine Kluftorientierungsverteilung darzustellen, hat sich als gut und einfach anwendbar erwiesen. Um die Effekte von verschiedenen Eingangsparametern zu untersuchen, wurden Empfindlichkeitsanalysen an den vom CPA-Programm generierten Modellen durchgeführt. Dabei wurden die folgenden Parameter untersucht: Kluftdichte, Grösse des Modellvolumens, Kluftgrösse und Anisotropie der Konduktivität. Zum Schluss wurde ein Vergleich zwischen CPA und Joint-OKY durchgeführt, welcher ergab, dass ein Modell, welches von der Annahme, dass Strömung durch die Klüfte stattfindet, ausgeht, eine höhere Konnektivität und folglich eine grössere Durchlässigkeit aufweist. Weitere Studien müssen durchgeführt werden, um Schadstofftransporte besser in das derzeitige CPA-Programm zu integrieren.