类型a：学术研究报告

一、作者与发表信息
该研究由Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）的Mengsu Hu与Jonny Rutqvist共同完成，发表于2020年8月的《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》第12卷第4期，标题为《Numerical Manifold Method Modeling of Coupled Processes in Fractured Geological Media at Multiple Scales》。DOI编号为10.1016/j.jrmge.2020.03.002。

二、研究背景与目标
本研究属于岩土工程与地质力学领域，聚焦于多尺度裂隙地质介质（fractured geological media）中流体-力学耦合过程（hydro-mechanical, HM）的数值模拟挑战。裂隙在能源开采（如页岩气、地热）和封存（如核废料处置）中具有关键作用，但现有模型难以同时处理离散裂隙交叉（intersecting fractures）和粗糙表面接触动态（asperity-scale contacts）的几何复杂性。研究目标是通过开发基于数值流形法（Numerical Manifold Method, NMM）的综合模型，实现对不同尺度裂隙（主导裂隙、离散裂隙、不连续粗糙尺度）的耦合过程精确模拟。

三、研究流程与方法
1. 裂隙分类与几何表征
- 根据相对尺度将裂隙分为三类：
- 主导裂隙（dominant fractures）：视为有限厚度的非线性多孔域，采用固体单元建模，结合应变能隐式方法描述其力学行为（式9-11）。
- 离散裂隙（discrete fractures）：采用零维模型（zero-dimensional model），将裂隙作为岩石基质边界处理，无需额外自由度，支持任意方向交叉和动态开合/滑动（图9-10）。
- 粗糙裂隙（discontinuum asperity scale）：显式表征表面几何，通过严格接触算法计算微凸体动态接触（图15-16）。

1. 数值流形法（NMM）框架

   • 采用双网格系统：数学覆盖（mathematical cover）与物理覆盖（physical cover）分离，支持非结构化网格与局部间断函数（图3-4）。
     
   • 创新点：
     
     • 零维裂隙模型通过树切割算法（tree-cutting algorithm）实现裂隙交叉的精确几何处理（图11-12）。
       
     • 微尺度接触通过顶点-边检测（vertex-to-edge contact）与开闭迭代（open-close iteration）动态更新接触对（图17）。
       

2. 耦合过程建模

   • 主导裂隙：基于Biot固结理论（式1-3），结合非线性本构关系（式9）更新渗透率（式12-13）。
     
   • 离散裂隙：流体沿裂隙流动（式30-32）与基质交换（式38）通过能量-功平衡方程耦合（式36-37）。
     
   • 粗糙裂隙：Navier-Stokes方程（式42-43）描述流体通道流动，与多孔介质Darcy流通过压力连续性耦合。
     

3. 验证案例

   • 主导裂隙：矩形域中水平裂隙在荷载与注水下的HM响应（图8），验证了非线性闭合与孔隙体积耦合效应。
     
   • 离散裂隙网络：100m×100m含25条裂隙的软岩中荷载-排水耦合模拟（图14），展示了裂隙开合与不均匀沉降。
     
   • 粗糙裂隙：单裂隙在载荷下的接触演化（图17-18），揭示了应力集中与通道几何变化的关系。
     

四、主要结果与逻辑链条
1. 主导裂隙模型验证了非线性闭合对渗透率的控制（图7），注水压力延缓裂隙闭合（图8c），表明孔隙体积耦合在长期行为中的重要性。
2. 离散裂隙模型成功模拟了裂隙网络中的动态开合与剪切滑移（图14a），其零维方法计算效率显著高于传统n-1维模型。
3. 粗糙裂隙模型首次实现了微凸体接触的显式动态计算（图18），为微观尺度裂隙演化机制提供了新工具。
结果逐级验证了NMM在多尺度耦合问题中的适用性，并为跨尺度参数传递（如从微尺度到工程尺度）奠定基础。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次统一了从微米到千米尺度的裂隙耦合建模框架，解决了交叉裂隙与动态接触的几何难题。
2. 应用价值：为页岩气开发、地热系统优化及核废料处置中的裂隙行为预测提供了高精度工具。
3. 方法论贡献：零维裂隙模型与NMM的双网格系统为复杂地质系统模拟开辟了新途径。

六、研究亮点
1. 多尺度分类：提出基于相对尺度的裂隙三分类法，适配不同本构方程与几何表征。
2. 零维模型创新：通过“无自由度”处理大幅提升离散裂隙网络的计算效率。
3. 跨尺度耦合：首次实现从微凸体接触（Navier-Stokes）到工程尺度（Darcy-Biot）的完整HM过程模拟。

七、其他价值
研究指出未来需发展三维裂隙网络几何表征（3D DFN）与多体接触算法，以扩展模型在三维全耦合分析中的应用（表1）。该框架有望推动裂隙地质介质中能量开采与封存的优化设计。