Mengsu Hu和Jonny Rutqvist来自美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的能源地球科学部门，他们的研究论文《Multi‑scale coupled processes modeling of fractures as porous, interfacial and granular systems from rock images with the numerical manifold method》发表于2022年的《Rock Mechanics and Rock Engineering》期刊（第55卷，第3041–3059页）。这项研究聚焦于多尺度裂隙岩体中的流体-力学耦合过程（hydro-mechanical, HM）模拟，旨在解决计算几何学和多物理场耦合的挑战，为能源开采、核废料地质处置及碳封存等工程问题提供理论支持。

学术背景

裂隙在岩石力学与工程中扮演关键角色，其尺寸从微米级到千米级不等，直接影响地质系统的力学行为及流体输运特性。传统数值模型在处理裂隙网络时面临几何表征、连续/非连续模型选择以及多尺度耦合优先级等难题。本研究基于数值流形方法（Numerical Manifold Method, NMM），开发了多尺度建模框架，将裂隙按几何特征分为三类：（1）有限厚度多孔带（porous zones）；（2）非连续界面网络（discontinuous interfaces）；（3）微观粗糙接触与颗粒系统（granular systems）。研究目标是通过真实岩石图像提取几何特征，结合不同的控制方程、物理定律和耦合策略，精确模拟裂隙的剪切、交切及多物理场演化过程。

研究流程与方法

1. 多尺度模型构建

   • 有限厚度多孔带模型：针对含矿物填充的裂隙，采用Biot固结理论描述孔隙弹性行为，结合Bandis方程表征非线性应力-孔径关系（式7-8）。通过NMM的连续介质建模，直接耦合流体质量守恒与固体动量守恒。
     
   • 离散界面模型：将薄裂隙视为岩石基质的边界，利用零维流体模型（zero-dimensional fluid model）与力学界面耦合。裂隙的接触状态（开放、粘结、滑动）动态更新，通过树切割算法（tree-cutting algorithm）处理交切问题，并引入Coulomb摩擦定律（式15-17）。
     
   • 微观颗粒模型：基于Navier-Stokes方程模拟流体在开放通道中的流动，结合多步接触算法（multi-step contact algorithm）捕捉颗粒间的动态接触，考虑变形带的局部主导效应。

2. 数值实现
   NMM通过双重覆盖系统（dual-cover system）整合连续与非连续力学：

   • 数学覆盖（mathematical cover）提供插值基函数，物理覆盖（physical cover）由裂隙界面分割，实现不连续场的积分。
     
   • 开发了隐式算法处理动态接触，包括接触对检测、约束施加及状态迭代，支持大变形与大位移模拟（图3-4）。
     

3. 案例验证

   • 单裂隙剪切：对比连续多孔带模型、离散光滑界面模型与粗糙界面模型，验证剪切位移与Pollard解析解的一致性，发现粗糙度导致局部应力集中（图7-8）。
     
   • 粗糙裂隙网络：连续模型（软材料填充）与离散模型（非填充粗糙界面）对比显示，动态接触显著改变应力分布，导致块体系统的不均匀压缩（图11）。
     
   • 离散裂隙网络：模拟126条裂隙的HM耦合过程，证明剪切驱动孔隙压力重分布（图13）。
     
   • 颗粒系统变形带：揭示软性变形带通过弯曲主导应力重分布与孔隙率最小化（图15-16）。

主要结果与逻辑关系

• 单裂隙分析：粗糙界面模型揭示了接触应力对局部断裂或压溶的潜在影响（图8），为微观破坏机制提供依据。
  
• 裂隙网络：离散模型中的动态接触导致应力局部化（图11），验证了非填充裂隙的几何演化对系统行为的控制。
  
• 颗粒系统：变形带的优先变形驱动整体结构重组（图15），支持“运动-变形-应力累积”的渐进演化理论。

结论与价值

本研究通过NMM实现了裂隙多尺度耦合过程的统一建模，其科学价值在于：
1. 方法创新：首次将有限厚度多孔带、离散界面与颗粒系统整合于同一框架，解决了跨尺度几何表征与耦合难题。
2. 工程应用：为地热开采中的裂隙剪切评估、核废料处置库的密封性分析提供工具，尤其强调了粗糙度与动态接触的关键作用。
3. 理论拓展：揭示了变形带在颗粒系统演化中的主导机制，丰富了多孔介质力学的微观理解。

亮点

• 多物理场耦合：全耦合HM模型涵盖直接（孔隙体积）与间接（渗透率-变形）相互作用。
  
• 真实几何表征：基于岩石图像的几何重构提升了模拟真实性（图1, 9, 12, 14）。
  
• 跨尺度验证：从单裂隙到网络系统，案例覆盖国际DECOVALEX项目任务G的基准问题。
  

其他价值

研究获得美国能源部（DOE）支持，代码开源潜力为3D扩展奠定基础。编辑审阅由伯克利实验室的Carl Steefel博士完成，增强了学术严谨性。