Surface parameters for quantifying the hydro-mechanical anisotropy of rock discontinuities

ABSTRACT: Strength, deformability and fluid flow properties of rock joints are to a great extent controlled by the surface roughness. The hydraulic conductivity of a rock fracture depends on the aperture distribution, the surface roughness and the contact area, each of which depend on the stresses that act on the fracture plane. However, despite much recent work, a complete understanding of the relationship between void space geometry, contact areas, applied stress, and hydraulic conductivity has yet to be achieved. Moreover, although in situ rock joints are subjected to both normal and shear loading, few studies have been conducted to investigate the effect of shear displacements on fluid flow through a single rock fracture, and which have addressed the issue of flow anisotropy induced by shearing. Experimental flow tests show that with increasing shear displacement, the fracture becomes heterogeneous and anisotropic, and becomes more permeable in the direction parallel to the displacement (Yeo et al., 1998). On the other hand, dry shear tests show that the surface fails in areas facing the shear direction (Grasselli and Egger, 2003). Moreover, the experimental results confirm that the shear strength of rock joints is direction-dependent. In this paper, a three-dimensional morphological description of several a natural fractures that have undergone shear displacement were generated using the Automated Topographic System at the University of Basel. The data analysis method of Grasselli (Grasselli et al., 2002a) is used to determine the surface parameters that are known to control the shear strength. Simulations of fluid flow through this fracture, in various directions relative to the direction of shear, are conducted using an FEM flow simulator. The results constitute the most detailed analysis yet undertaken of the relationship between shear displacement, shear strength, and fracture transmissivity. RESUME: La rugosité des joints en roche joue un rôle primaire sur la réponse hydromécanique du massif fracturé. En effet, la conductivité hydraulique des discontinuités en roche est influencée par la rugosité, et par la distribution des ouvertures et des zones de contact, dont chacun dépend de l’effort normal et du cisaillement qui agissent sur la surface du joint. Les essais d'écoulement en laboratoire montrent que si cisaillée, la fracture devient anisotrope, et plus perméable dans la direction parallèle au déplacement (Yeo et al., 1998). D'autre part, les essais de cisaillement indiquent que seules les zones de la surface qui font face à la direction de cisaillement sont impliquées dans le cisaillement (Grasselli et Egger, 2003). D'ailleurs, les résultats expérimentaux confirment que la résistance au cisaillement des joints de roche est dépendante de la direction. Dans cet article, plusieurs fractures en roche ont été analysées en utilisant un système de mesure topographique à l'Université de Bâle. La méthode d'analyse de données proposée par Grasselli (Grasselli et al., 2002a) a été employée pour calculer les paramètres de la surface qui déterminent la résistance au cisaillement. Plusieurs simulations du coulage, dans diverses directions relativement à la direction du cisaillement, ont été faites à l’aide d’un programme de calcul à éléments finis. Les résultats constituent une des analyses les plus détaillé sur le rapport entre le déplacement pendant le cisaillement, la résistance au cisaillement, et la transmissivité spécifique de la fracture. ZUSAMMENFASSUMG: Die Festigkeit, Verformbarkeit und Hydromechanik von geklüftetem Fels wird hauptsächlich von der Oberflächenrauhigkeit der Bruchflächen bestimmt. Die hydraulische Leitfähigkeit einer Kluft hängt von der Verteilung der Rissbreiten, der Oberflächenrauhigkeit und den Kontaktflächen ab, die ihrerseits von dem auf die Bruchfläche wirkenden Druck beeinflusst werden. Obgleich in letzter Zeit viel in dieser Richtung geforscht wurde, kann der Zusammenhang zwischen Porenraumgeometrie, Kontaktflächen, wirkendem Druck und hydraulischer Leitfähigkeit noch nicht vollständig erklärt werden. Obwohl Klüfte in situ sowohl Normal- als auch Schubspannungen ausgesetzt sind, wurde der Einfluss von Scherverschiebungen auf den Kluftwasserfluss und die daraus resultierende Fliessanisotropie in einer einzelnen Kluft bisher kaum untersucht. Experimentelle Untersuchungen des Durchflusses zeigen, dass die Kluft für größer werdende Scherverschiebungen heterogen und anisotrop wird wobei die Permeabilität parallel zur Verschiebungsrichtung ansteigt (Yeo et al., 1998). Andererseits zeigen trockene Scherversuche, dass die Oberfläche an Stellen versagt, die gegen die Verschiebungsrichtung anstehen (Grasselli und Egger, 2003). Des weiteren bestätigen die experimentellen Ergebnisse eine Richtungsabhängigkeit der Kluftscherfestigkeit. In diesem Artikel wird eine dreidimensionale morphologische Beschreibung mehrerer natürlicher, durch Scherspannungen verschobener Klüfte vorgestellt, die vom Automated Topographic System der Universität von Basel erstellt wurde. Das von Grasselli (Grasselli et al., 2002a) entwickelte Datenanalyseverfahren wird zur Feststellung der die Scherfestigkeit bestimmenden Oberflächenparameter herangezogen. Mittels einer FEM-Simulation wird der Durchfluss durch eine solche Kluft in verschiedenen Richtungen simuliert. Die Ergebnisse stellen die bisher ausführlichste Analyse des Zusammenhangs zwischen Scherverschiebung, Scherfestigkeit und Durchlässigkeit (Transmissivität) einer Kluft dar.