裂隙广泛存在于岩石介质中,准确地描述它们的分布、表面形貌和拓扑关系以及它们对流体运移的控制机理对岩体稳定性评估、地下工程安全生产以及水资源安全和合理利用等问题具有重要意义。然而裂隙网络形貌结构复杂、裂隙尺度变化范围广(从几微米、甚至是纳米级别到数千米),造成裂隙网络结构描述和统计工作十分困难。此外裂隙内表面的粗糙特征、裂隙开度尺度差异、裂隙内矿物沉积充填、两端面错位和溶解作用等过程引起裂隙局部开度的变化,不仅造成开度的量测和选取困难,也造成裂隙中流体压力的非线性分布,进一步增加裂隙中流体运移规律研究的难度。虽然采用将裂隙分段的方式解决了以上压力梯度和渗透率非线性特征的部分问题,但划分方法刻板,受裂隙面随机性的影响具大且划分数量对渗透率的影响少有研究,因此只有解决裂隙的准确划分和裂隙开度、长度的准确量测才能实现复杂形貌裂隙渗透率的准确评估,为安全生产提供根本性保障。针对上述科学问题,本论文以二维和三维自仿射粗糙裂隙模型为研究对象,首先采用Cuckoo Search算法对粗糙裂隙进行优化划分,解决了划分结果受裂隙形貌的随机性和起始点位置的影响,并结合分形理论定量地分析了裂隙表面的粗糙特征及其分形表征。在此基础上,采用激光切割与3D打印技术分别构建二维与三维粗糙裂隙模型,进行室内水文实验与格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)数值模拟,研究粗糙裂隙模型内流体的输运属性,定量地分析裂隙表面的粗糙特征对裂隙渗透率的影响机制;建立粗糙裂隙渗透率的评估模型,结合数值模拟结果、实验数据以及已有的研究方法和数据验证裂隙的渗透率模型。本文研究取得以下主要创新性研究成果:(1)采用Cuckoo Search算法自动优化裂隙剖面的分割,提高了分形维数计算的精确性,推导了综合表面分形特征与粗糙特征的局部立方定律,分析了裂隙划分对渗流率评估的影响机制。应用自仿射函数构建了粗糙裂隙表面,采用长度变化的量测方法取代传统固定量测尺寸的方法自动划分粗糙裂隙表面,得到了更贴合裂隙表面形貌的划分结果,更高的参数相关性,提高了分形维数计算的精确性。单一的分形维数或裂隙表面高度值的标准偏差不足以描述裂隙表面复杂的粗糙特征,提出综合裂隙分形特征与粗糙特征的修正局部立方定律,确定了裂隙划分结果对计算渗透率的影响机制。激光切割裂隙模型中水文实验结果证实划分方法和修正局部立方定律。验证过程中采用矩形通道内矩形横截面上各处流速的理论解析模型实现了三维实验数据的降维验证。三维裂隙渗流数据向二维数据转化的方法为二维裂隙渗透率模型的验证提供了方法和数据支撑。(2)根据裂隙局部开度非均一性对渗透率的差异性控制作用,提出了综合局部开度权重的划分方法,有效衡量了开度变化引发压力梯度分布的非线性特征,实现了变开度裂隙渗透率的准确评估。变开度裂隙中的流体运移结果表明裂隙局部开度的非均一性造成压力梯度的非线性分布,进一步导致裂隙局部开度对流体运移的差异性控制作用。提出的综合裂隙局部开度权重的分割方法有效衡量了压力梯度的非线性分布,突出强调了小开度区域对裂隙渗透率的控制作用。揭示了裂隙中开度变化对流体运移的影响机制,实现了变开度裂隙渗透率的准确评估。(3)裂隙开度的尺度和表面的粗糙特征控制裂隙局部开度分布,综合影响裂隙中的流体运移,两者具有不可分割的属性。提出了衡量两者综合作用的尺度参数,确定了该参数对裂隙中流体运移开度的削弱机制。构建了相同表面形貌、不同竖直开度的裂隙,结合正交开度的概念分析了裂隙开度的尺度变化和裂隙面粗糙特征对裂隙局部开度分布的影响,提出了衡量裂隙的开度尺度与表面粗糙特征综合作用的尺度参数,修正裂隙开度的计算方法,结合数值模拟结果验证了开度的尺度作用与局部立方定律。(4)在二维裂隙流研究的基础上开展了三维裂隙流的研究。基于3D打印技术和分形理论构建了高精度三维自仿射粗糙裂隙模型并用于水文实验,与理论解析解一起验证了LBM模拟三维裂隙流的可靠性,采用数值方法分析了三维粗糙裂隙的方向性问题,结合裂隙面的优化分割方法与裂隙片段间的串并联拓扑关系修正了三维粗糙裂隙的局部立方定律。采用上下端面分别打印,后期拼装的方式重构了高精度的三维自仿射粗糙裂隙模型,避免了支撑材料清理的难题。卯榫结构的应用避免了两端面的错位问题。设计了并开展了三维流动水文实验,验证了数值模拟的可靠性。分析了三维粗糙裂隙流动的方向性问题,确定了裂隙流动的控制因素。提出了裂隙中流动开度的修正模型,结合优化分割结果、串并联模型和模拟结果验证了裂隙渗透率结果。本文总共有图68幅,表2张,参考文献204篇.