Roughness control on hydraulic conductivity in fractured rocks

The influence of joint roughness on the typologies of fluid flow inside fractures is well known and, thanks to experiences in the field of hydraulics, it has been studied from both a physical and mathematical point of view. Nevertheless, the formulations adopted by traditional hydraulic models are hardly applicable in the geological field, because of the difficulty encountered in the roughness parameter estimation. Normally this parameter can be estimated using the joint roughness coefficient (JRC), which considers both the asperity height and its regularity and directional trend. The main advantage in using the JRC arises from the fact that it can easily be obtained from geological-technical surveys and from comparison with the standard Barton profiles. Some relationships have been built up that allow for the estimation of the hydraulic conductivity tensor (an essential parameter for understanding water flow in fractured rock masses), not only as a function of traditional parameters like aperture, spacing, dip and dip direction, etc., but also of joint roughness, precisely expressed in terms of the roughness coefficient. These relationships have been studied initially from a theoretical point of view and then practically, through laboratory investigations.

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Resumen  Se conoce muy bien la influencia de la rugosidad de las grietas en las tipologías del flujo de fluidos a lo interior de las fracturas y gracias a las experiencias en el campo de hidráulica ha sido posible estudiarla desde puntos de vista matemáticos y físicos. Sin embargo, las formulaciones adoptadas por los modelos hidráulicos tradicionales tienen poca aplicabilidad en el campo geológico debido a la dificultad relacionada con la estimación del parámetro de rugosidad. Normalmente este parámetro puede estimarse usando el coeficiente de rugosidad de grieta (JRC) el cual considera tanto la altura de la aspereza como su regularidad y tendencia direccional. La principal ventaja de utilizar el JRC se deriva del hecho que puede obtenerse fácilmente de levantamientos técnico-geológicos y de la comparación con los perfiles Standard Barton. Se han construido algunas relaciones que permiten la estimación del tensor de conductividad hidráulica (un parámetro esencial para el entendimiento del flujo de agua en masas de roca fracturadas), no solo en función de parámetros tradicionales como apertura, espaciado, buzamiento y dirección de buzamiento, etc., sino también en función de la rugosidad de la grieta estimada con precisión en términos del coeficiente de rugosidad. Estas relaciones se han estudiado inicialmente desde un punto de vista teórico y luego de modo práctico a través de investigaciones de laboratorio.

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Résumé  L’influence de la rugosité des joints sur les types d’écoulement de fluide dans les fractures est bien connue et a été étudiée aussi bien du point de vue physique que mathématique grace à des expériences menées dans le domaine de l’hydraulique. Cependant les formulations adoptées dans les modèles hydrauliques traditionnels sont difficilement applicables dans le domaine de la géologie à cause de la difficulté rencontrée pour estimer la rugosité. Ce paramètre peut normalement être apprécié grace au coefficient de rugosité du joint (JRC), lequel prend en compte à la fois la hauteur de l’aspérité ainsi que sa régularité et sa direction. Le principal avantage dans l’utilisation du JRC réside dans le fait qu’il peut facilement être obtenu à partir d’études techniques-géologiques et par comparaison avec la classification de Barton. Des relations qui permettent une estimation du tenseur de conductivité hydraulique (un paramètre essentiel pour comprendre l’écoulement de l’eau dans les masses rocheuses fracturées) ont été élaborées, pas seulement en fonction de paramètres traditionnels tels que l’ouverture, l’espacement, l’inclinaison et la direction d’inclinaison, etc , mais aussi en prenant en compte la rugosité des joints à travers le coefficient de rugosité. Ces relations ont initialement été étudiées d’un point de vue théorique puis expérimentalement à travers des recherches en laboratoire.