文摘

水工建筑物的长期使用寿命期间,钙化合物在水泥基材料在水环境中分解,导致连续变化的渗流特征。研究钙的影响浸出的混凝土坝渗流特征,我们提出了一种新的数学模型的水泥基材料钙浸出模型在advection-diffusion-driven浸出。采用固液非平衡模型的分解模型氢氧化钙(CH)和硅酸钙水合物凝胶(C-S-H)。计算孔隙度更确切地说,该模型采用的影响不同的钙化合物分解在考虑孔隙度增加,分别。Shimantan大坝被选中的三维(3 d)钙浸出分析。这个大坝的3 d有限元模型分析了利用COMSOL多重物理量是基于有限元法的软件。基于该模型,演进Shimantan大坝的渗流特征进行了研究。好协议之间的数值结果和监测数据表明这种模拟的准确性。结果表明,100年之后,浸出时间,浮力增加40.8%,坝体的渗漏量和基础增加48和17倍。浮力的兴起和泄漏窗帘恶化导致的变化是主要的钙浸出对大坝渗流的影响。 The parameter sensitivity results show that it is necessary to reduce CH content in cement-based materials to obtain better calcium leaching durability. This model and simulation results can guide the operation of concrete dams under advection-diffusion-driven leaching.

1。介绍

碾压混凝土重力坝广泛建立全球由于建设时间较短,成本较低,方便。渗透在大坝运行的关键问题之一。渗流特征与混凝土重力坝安全密切相关。浮力和退出梯度值不同大坝失败的主要原因(1]。准确的渗流分析水工建筑物是一项具有挑战性的任务(2]。长他们的服务条款,钙化合物的分解等形式的氢氧化钙(CH)和水合硅酸钙凝胶(C-S-H)是可以避免的,因为水的pH值环境(pH = 7)远远低于混凝土孔隙溶液(pH = 12.5 -133,4])。在浓度梯度的作用下,钙离子渗入水环境,导致增加孔隙度和渗透率,降低材料性质。因此,混凝土大坝的渗流特点将不断改变浸出过程。

例如,丰满混凝土重力坝建于1937年。蓄水开始在1942年。经过近80年的操作,丰满混凝土重力被拆除和重建由于严重的泄漏和混凝土恶化问题。大坝混凝土的骨料和砂浆分离,和绑定内容几乎剥离。蜂窝和蛀牙是常见的在所有大坝部分。钙浸出的最重要的原因是丰满大坝渗漏和混凝土恶化[5]。Gutianxi平板支墩坝开始扣押在1961年。1990年,有四个大坝部分严重的泄漏和七坝部分钙浸出。在2000年,有8个大坝部分严重的泄漏,二十坝部分钙浸出。混凝土板的整体实力却降低了从49.6 MPa (37.9 MPa 23.6%6]。

对扩散系数(钙浸出具有明显的影响7,8],渗透率[3,4),和力量9- - - - - -14水泥基材料的)进化。钙浸出模型的发展指导水工建筑物的操作。钙浸出过程的模拟研究,固液平衡方程(得到了广泛的应用15- - - - - -19]。这个方程是一个现象学化学平衡模型相关的钙浓度骨架和孔隙溶液各向同性损伤力学的概念(20.]。Kamali et al。21,22)提出了一个简化的模型来预测浸深度考虑初始孔隙度、水灰比、温度、和解决方案组成。淋溶样品机械性能,库尔20.,23)提出了改变机械和运输总孔隙度和计算相关属性e孔隙度平均摩尔体积。从那时起,学者们提出了一系列chemomechanical模型考虑损伤力学行为(24- - - - - -29日),多尺度效应(17,30.,31日)、蠕变和损伤行为(32]。这些模型假设之间的局部热力学平衡钙化合物的固体骨架和孔隙中钙离子的解决方案。浸出过程由扩散驱动的。我们可以计算钙化合物分解率与固液平衡曲线。对于advection-diffusion-driven浸出,热力学平衡状态被打破。因此,我们不应计算固液的浸出率曲线。乌尔姆(33)提出了一个描述钙化合物的分解率的关系基于chemoporoplasticity advection-diffusion-driven浸在水泥基材料的理论。有一个突然的变化在毛细管Ca^{2 +}浓度,分解率依赖于实际的“距离”平衡曲线(34]。Gawin [34- - - - - -36]乌尔姆的速率方程,提出了一种采用hydrochemomechanical胶结材料模型与去离子水接触接触。计算的孔隙度、Gawin采用库尔的计算方法20.]。浸出过程中的孔隙度是一个函数的平均摩尔体积不同的钙化合物和总钙含量。

现有钙浸出模拟、扩散系数等关键参数和渗透率是孔隙度的函数。然而,孔隙度一般平均摩尔体积计算,忽略了不同钙化合物分解对孔隙度演化的影响。CH分解产生毛细毛孔,C-S-H分解生成凝胶孔和毛细毛孔。因此,浸出过程模型更准确地说,特别是在advection-diffusion-driven浸出,我们应该考虑不同的钙化合物分解的影响。

大坝的长期服务性能一直是水利工程中最重要的研究领域之一(37]。这些研究的主要重点是大坝变形和应力的演变。然而,水存储结构,大坝的长期进化渗流特征的影响下钙浸出没有在文献调查。渗流特征与大坝安全密切相关。大坝渗流特征的影响下的演进advection-diffusion-driven浸出与长期的服务安全与利益密切相关,需要进一步探索。

本研究的目的是探讨混凝土坝渗流在浸出过程中进化。现有advection-diffusion-driven浸出模拟、孔隙度一般平均摩尔体积计算,忽略了不同钙化合物分解对孔隙度演化的影响。为了提高仿真精度,我们提出了一种新的数学模型的hydrochemo水泥基材料的行为。CH的分解和C-S-H分别考虑。Kozeny-Carman (KC)关系采用渗透系数演化模型。Shimantan大坝被选中的三维(3 d)钙浸出分析。这个大坝的3 d有限元模型建模利用COMSOL软件多重物理量。基于该模型,得到演进Shimantan大坝渗流特征。这个模拟的准确性验证的水头和泄漏监测数据。最初的CH内容和渗透系数的影响进行了讨论。 The proposed numerical model can be used to analyze the antiseepage ability deterioration of grout curtains, concrete face slabs, and core walls under the effect of advection-diffusion-driven leaching. These simulation results will guide the dam safety monitoring and evaluation.

本文组织如下。首先,给出了模型的基本理论。这时,一个数值例子来验证该模型解决。接下来,渗流特征的进化Shimantan混凝土重力坝进行了分析,提出了模型。在后面,CH内容和渗透系数的影响进行了讨论。最后,给出了结论。

2。材料和方法

水泥基材料的钙浸出过程的本质在水利工程是钙化合物在低pH值的解决方案分解,然后沉淀到周围环境中浓度梯度下水力梯度。主要的化学反应方程给出了下列方程(20.]:

水泥基材料的孔隙的解决方案被认为是在热力学平衡钙化合物的固体骨架。当孔隙溶液的钙离子浓度下降低于22摩尔/ m³,CH开始分解。完成分解后的CH和钙离子浓度降低到18摩尔/ m³,C-S-H开始腐烂。

有两种模式的钙离子传输液压结构:平流、扩散。平流是钙离子的对流在流经多孔介质的孔隙溶液。平流是水力梯度的驱动力量。扩散是孔隙溶液中钙离子的运动从高离子浓度低离子浓度。扩散的浓度梯度的驱动力量。

从热力学的概念,有两个国家之间的孔隙溶液中的钙离子和钙化合物的固体骨架:平衡态和非平衡状态。在平衡状态下,钙离子浓度下降导致热力学失衡,使固体骨架的脱钙作用,直到达到热力学平衡(33]。换句话说,骨骼中钙含量的值取决于孔隙中钙离子浓度的解决方案。钙浸出的驱动力量平衡态扩散。在非平衡状态,固体骨架的脱钙作用不会导致平衡。没有钙离子浓度之间的关系和钙含量固体骨架。钙浸出的驱动力量处于非平衡状态是平流。

图1显示了钙的物理模型的一般素描在混凝土大坝浸出。水环境中的钙离子浓度远低于在孔隙的解决方案。在浓度梯度和水力梯度效应下,钙离子,来自CH和C-S-H分解,参与到周围的水环境。因此,大坝材料的孔隙度和传输性能增加。大坝渗流特征不断变化的过程中钙浸出。

图2显示了钙浸出现象的走廊Shimantan混凝土重力坝溢出部分经过14年的操作。从图片,我们可以看到白色的淋溶物质倾泻下来,覆盖几乎整个内表面的走廊。白色的淋溶物质是碳酸钙,来自淋溶的碳化CH。

图3显示所有现象(图下钙浸出过程的平衡3(一个))和非平衡(图3 (b))条件。方程(1)显示了CH和C-S-H的分解反应方程。在diffusion-driven浸出,孔隙溶液中的钙离子浓度逐渐降低。当孔隙溶液的钙离子浓度低于临界水平时,Ca(哦)₂晶体开始分解。毕竟CH渗滤液,C-S-H开始恶化[38,39]。在advection-diffusion-driven浸出时,钙离子浓度低于临界浓度的CH和C-S-H。因此,CH和C-S-H同时分解。根据假设CH浸出产生毛细毛孔和C-S-H浸出导致凝胶孔和毛细管孔隙(3)、扩散系数和渗透率不断增加。渗透系数和扩散系数的增加加速浸出过程。

2.1。控制方程

在advection-diffusion-driven浸出模型中,我们使用以下六个假设:(1)硅不浸,补液和浸出未水化水泥颗粒被忽略,所以只有CH和C-S-H被认为是在浸出过程中(39];(2)CH浸出产生毛细毛孔,C-S-H浸出不仅会导致凝胶毛孔也有利于毛细管孔隙(3];(3)钙离子在溶液中不形成任何新的化合物反应38](4)钙离子在溶液中不反应(如CaCO形成任何新的化合物₃)(38](5)材料和保持饱和随着时间的推移,和等温条件保存(38];(6)毛细管孔隙流动是层流,可由达西定律描述

扩散方程适用于浸出在桥墩桩基础,和核废料容器。钙浸出的混凝土坝的脸板,混凝土芯墙,和灌浆窗帘,我们应该添加控制方程来表达对流平流流对钙离子的影响。u达西速度,c孔隙溶液中的钙离子浓度,和∇吗c浓度梯度。u∇c平流流的强度,物理意义的u∇c钙离子的数量是直通平流下单位时间单位面积上的流。平流流量不是不变;随着孔隙度和渗透率、水的流量变化与再分配压力。因此,渗流连续性方程是必要的表达渗流场的演变。方程(2)提出了描述流体流动的控制方程40,41和钙离子分散42在渗透多孔介质)。

在这个方程,达西速度(米/秒),水泥基材料的渗透性(m²),是水密度(公斤/米³),是重力加速度(m / s²),P水压力(Pa),孔隙度,t是时候,是一个质量源项(公斤/ (m³·s)),是物种的浓度(摩尔/ m³)(在这项研究中,钙离子的浓度在孔隙溶液),表示扩散系数(m²/ s),是钙化合物分解反应速率(摩尔/ (m³·s))。

在这项研究中,缺陷的因素R是指钙化合物的分解率的固体骨架。钙的分解化合物被认为是一个不可逆过程advection-diffusion-driven浸出。换句话说,固体骨架的钙离子浓度不会增加。在实践中,钙离子在孔隙溶液非保守的,可以吸附在土壤颗粒。吸附和土壤或岩石中可能发生的化学反应是复杂的。根据杰拉德的工作(38),钙离子在溶液中假设不是其他化合物反应。在这项研究中,考虑到巨大的范围的模型,吸附和化学反应的影响在土壤或岩石被认为是有限的。因此,为了简化数值模型,在溶液中钙离子被认为没有反应,形成新的化合物,像CaCO₃(38]。

水泥基材料的钙浸出包含两个过程。第一阶段是钙化合物的分解,和第二个是多孔介质中钙离子的迁移。因为钙化合物的分解,水力传导率保持在浸出过程中改变。因此,流量发生了变化。与现有diffusion-driven浸出相比,另一个假设是必要的。因为钙浸出是一个相对缓慢的过程,多孔介质中的水流仍达西流。这样,达西定律确定流量。

2.2。钙化合物分解模型

在diffusion-driven钙浸出过程中,溶解CH和C-S-H所需的时间比扩散时间短(38]。因此,之间有一个平衡态钙化合物和钙离子。成矿和伯纳在1992年首次提出了固液平衡曲线(43]。方程(3)是一个典型的固液平衡曲线修改Nakarai [15]。 在哪里在固体骨架是实际的钙浓度(摩尔/ m³),是孔隙溶液中钙离子的浓度(摩尔/ m³),时孔隙溶液中的钙离子浓度急剧分解C-S-H开始(摩尔/ m³),时孔隙溶液中的钙离子浓度CH完全溶解和C-S-H开始分解(摩尔/ m³),在室温下是去离子水的饱和浓度(摩尔/ m³),和是nonleached C-S-H凝胶和CH内容,分别从水泥化学成分可以计算(摩尔/ m³),为2摩尔/ m³由杰拉德(44],Wan [39],Nakarai [15),和耆那教徒的45),作为( )摩尔/ m³通过广域网(39],Nakarai [15Phung], [3),或( )摩尔/ m³由杰拉德(44],耆那教徒[45),而作为22摩尔/ m³由Phung [3],耆那教徒[45)和广域网(43)或20 mol / m³由杰拉德(45和库尔20.),或20.5摩尔/ m³由Gawin [34]。在这项研究中,的价值 , ,和作为2、19和22摩尔/ m³。根据艾伦的测试(18和詹宁斯的工作19),最初的Ca / Si C-S-H的比率是1.70,和Ca / Si的比例部分淋溶C-S-H是0.8。

固液平衡曲线之间的关系提供了一个孔隙溶液中钙离子浓度和钙化合物的固体骨架,适合本地diffusion-controlled反应。最关键的假设之一的固液平衡曲线所需的时间钙化合物溶解于固体骨架比扩散时间短33,38]。然而,在advection-diffusion-driven浸出,孔隙溶液中的钙离子浓度可能低于平衡浓度。孔隙溶液中的钙离子不再是在一个平衡态的钙化合物固体骨架。平流的迁移作用下流动,钙化合物固体骨架的浸出时间不再是比扩散时间快。因此,固液平衡曲线是不适合advection-diffusion-driven浸出。

乌尔姆et al。33)提出了一个非平衡钙化合物的分解模型使用chemoporoplasticity理论。Gawin [36)忽略了弹性变形和塑料hardening-softening现象,分解率提出了以下方程: 在哪里在固体骨架是实际的钙浓度(摩尔/ m³),t是时候,Ca的微量扩散吗^{2 +}离子在不同的化合物,这是依赖于钙含量(摩尔/ (J·s)),是化学亲和力,是化学反应的驱动力(J / m³),气体常数(J /(摩尔·K)),温度(K),浸出的特征时间(年代),是目前孔隙溶液中钙离子浓度(摩尔/ m³),( , )固液平衡曲线上的一点,平衡常数。

在方程(4)在模拟使用不方便,因为它需要知识的一对值( )。Gawin [36)转移方程为哪个更适合实际应用在以下方程: 在哪里最初的固体骨架中钙浓度(摩尔/ m³),在固体骨架是实际的钙浓度(摩尔/ m³),是平衡值对应于当前孔隙溶液中钙离子浓度(摩尔/ m³),可以通过方程计算(3)。

图4(一)显示了固液平衡曲线与不同的CH内容和平衡在温度T= 25。CH内容被定义为 。总钙化合物固体骨架15000摩尔/ m³。固液平衡曲线与方程计算(3)。从图我们可以看出4(一),CH分解阶段变得短CH内容减少。图4 (b)显示钙含量的函数,和温度T是25。

采取实际的“距离”的平衡曲线测量钙化合物的分解速率适合advection-diffusion-driven浸出。在advection-diffusion-driven浸出,平流流携带孔隙溶液中的钙离子。因此,孔隙溶液中的钙离子浓度总是低于平衡阶段。因此,我们不应计算钙化合物的固体骨架孔隙溶液中钙离子浓度与方程(4)。在这种情况下,我们可以计算出钙化合物的内容通过集成分解率随着时间的推移。

钙浸出的驱动力量决定了模型用于模拟。对于diffusion-driven浸出,我们应该使用固液平衡模型。而对于advection-diffusion-driven浸出,我们应该使用非平衡模型。的无量纲沛克莱数(Pe)代表的相对比例平流、扩散。Pe数定义为在以下方程(46]。 在哪里u在多孔介质的平均流速(米/秒),R对水泥基材料特征长度,,粒子的平均直径(47]。根据液压混凝土混合料配合比设计的代码(DL / T 5330 - 2015),平均直径的2级碾压混凝土、三级压实混凝土和普通混凝土0.02米,0.04米和0.02米。本研究以灌浆帷幕的平均直径为0.01米。是分子扩散,m²/ s。Pe数小于1时,扩散占主导地位。Pe数量超过100时,扩散的影响可以忽略48]。

2.3。孔隙度演化

主要的钙复合水泥基材料包括CH和C-S-H内容。湾(39)认为,CH浸出产生毛细毛孔,C-S-H浸出生成凝胶毛孔。相比之下,Phung [3]提出,脱钙作用C-S-H也可能导致毛细管孔隙度的增加由于凝胶孔隙的空间连通性。库尔(20.)提出了一个简化模型计算孔隙度平均摩尔体积CH,钙矾石和C-S-H。通过整合钙化合物的分解率,我们可以获得的总摩尔量溶解钙化合物和孔隙度。该方法采用Gawin [36]。这种方法的主要缺点是,它忽略了不同钙化合物分解对孔隙的影响经济增长。

更准确地计算孔隙度和渗透系数的材料的发展,我们应该考虑的影响分解的CH和C-S-H孔隙度。水泥基材料的孔隙度演化所示以下方程。 在哪里总孔隙度,是初始孔隙度、孔隙度增加是由于CH分解,孔隙度增加是由于C-S-H分解,毛管孔隙度,是最初的毛细管孔隙度,的贡献程度C-S-H脱钙作用毛细管孔隙度;在这项研究中, , 和是CH的摩尔体积和C-S-H, , , 和Ca的微量扩散系数相关吗^{2 +}离子在CH和C-S-H,和的值和给出了在表1。

在advection-diffusion-driven浸出,当孔隙溶液中的钙离子浓度是19到22摩尔/ m³,CH分解。当离子浓度低于19摩尔/ m³同时,CH和C-S-H分解,结合方程(4)和(5),引起的孔隙度增加分解可获得CH和C-S-H,分别。根据Morandeau的实验数据49),C-S-H是线性的摩尔体积与Ca / Si比率的比率。在这项研究中,我们还考虑依赖C-S-H Ca / Si的摩尔体积。因此,摩尔体积C-S-H在浸出过程中被定义为一个函数的Ca / Si。更多细节在附录A。

2.4。渗透率演化

在水泥基材料的浸出过程中,固有的渗透率K可能显著增加由于骨骼脱钙作用和有关leaching-induced孔隙度增加。斋藤(50)提出了孔隙度和渗透率之间的一个指数公式,和礼物的关系方程(8)。 在哪里是初始渗透率(米/秒),是一个材料参数,应该是由实验决定的,然后呢混凝土孔隙率。

这个方程在迫击炮加速电化学测试工作。然而,为了更好地理解浸出影响水泥基材料渗透率的增加,有必要探索微观结构参数的进化。Kozeny-Carman (KC)关系适用于相对同质的多孔材料(51- - - - - -53]。渗透系数提出了以下方程。 在哪里渗透系数(m²),是微观结构参数(m²),毛管孔隙度,是迂回曲折,是特定的孔隙表面(m²/ m³),是形状的因素。

孔隙度渗透率是定义为一个函数的方程(8),忽视了孔隙结构演化对渗透率的影响。中包含的变量与孔隙结构参数 。Kozeny-Carman关系考虑孔隙度和孔隙结构曲折等特定的孔隙表面,形状因子渗透率演化。通过这种方式,渗透性演化的造型更准确。这个方程在附录B的更多细节。

2.5。扩散系数的进化

钙浸出过程中,扩散系数也随孔隙度(54- - - - - -57]。Garboczi和Bentz8提出了有效的扩散模型。我们可以计算的有效扩散系数从水泥水化水泥浆和水灰比。Garboczi和Bentz的模型适用于标准nonleached水泥矩阵。在浸出过程中,扩散系数增加快得多。基于斯奈德和克利夫顿的作品,凡Eijk和这58)提出了一个修正公式如下列方程。 在哪里 是最初的毛细管孔隙度,是亥维赛函数, 毛管孔隙度,是钙离子在水中的扩散系数, 。

方程(11)已广泛应用于钙浸出模拟,比如广域网(39]。在这项研究中,我们采用这个方程模拟浸出过程中扩散系数的演变。

2.6。Advection-Diffusion-Driven浸出模型的总体方案

在advection-diffusion-driven浸出,钙化合物的分解率是一个函数的孔隙溶液中钙离子浓度和电流钙含量固体骨架。平流扩散、对流效应下的钙离子浓度的分布随距离和时间的考验。因此,不同的大坝结构的分解率是不一样的。我们可以计算分解钙化合物的数量从分解率随着时间的积分。一旦确定分解钙量,疏,液压导率,得到了扩散系数。由于进化的渗透系数和扩散系数,孔隙的钙离子浓度的解决方案进行重新分配。在这项研究中,钙离子浓度,钙化合物的分解率,孔隙度、渗透系数和扩散系数随距离和时间的考验。

图5显示了该模型的总体框架。首先,输入几何模型、材料特性和解决方案的条件。我们可以得到孔隙溶液中钙离子的浓度由运动求解对流方程和渗流连续性方程。结合固液非平衡模型,固相的分解率。通过整合钙化合物的分解率随着时间的推移,淋溶和保持钙化合物的数量。在那之后,我们可以计算出孔隙度。渗透率和扩散系数被定义为孔隙度的函数。因此,平流流量和钙离子扩散系数。这时,下的渗流特点是改变钙浸出的影响。运动的对流方程和渗流连续性方程需要解决了。 The calcium concentration is redistributed under the impact of changed advection flow rate and calcium ion diffusivity coefficient. In this study, we numerically solve the problem using the COMSOL Multiphysics simulation tool. The finite element method has been adopted.

3所示。数值例子

一个数值例子是解决比较本研究和以往的研究来验证该模型。这个例子是一个快速reaction-advection-diffusion问题解决之前Gawin et al。34,35]。它关注钙浸出从水泥粘贴墙(1 d问题)暴露于单面行动的去离子水,这是模仿狄利克雷边界条件。模型配置和边界条件如图6。主要材料的属性表2。更多的细节出现在文献[35]。

时间的历史孔隙溶液中钙离子浓度在不同的时间和空间分布如图7。从该模型仿真结果得到,没有不同的钙化合物分解的影响。参考点1和2是0.09厘米和2.88厘米从上游侧,分别。浸出时间是 和 。这个模拟中使用的边界条件和材料属性是一样的Gawin例4。本研究的仿真结果与Gawin一致的结果35),这表明这种模拟的合理性。然而,钙离子浓度的时间历史考虑不同钙化合物分解比较大。这是因为该模型消除了C-S-H分解产生的凝胶孔对交通的影响特性。

图8显示了水力传导系数随时间的变化及其空间分布在不同的时间。从图我们可以看出8(一个),渗透系数的时间历史考虑不同钙化合物分解较低。图8 (b)显示,0.04米的范围内从上游侧的渗透系数没有考虑不同的组件是一个数量级大于考虑。在前面的模型,C-S-H分解生成的毛孔都考虑毛细毛孔。在该模型中,我们采取了不同的钙化合物分解孔隙度演化的影响考虑,CH浸出产生毛细毛孔,C-S-H浸出导致凝胶孔和毛细毛孔。

3.1。Shimantan混凝土重力坝和数值模型

3.1.1。Shimantan混凝土重力坝和数值模型

在中国,Shimantan水库,位于武冈市城市,建于1951年,1975年8月在洪水漫溢事故受损。政府重建了水库在1993年9月,经过四年的建设,主要结构是完成和接受的管理。重建的关键项目水库碾压混凝土(RCC)是一个完整的重力坝高度为40.5米。坝体的最大宽度为31.74米。波峰长度645米,分为22个大坝部分。其中,1 - 9号和号。17-22 nonoverflow大坝部分,总长度320米。19号是井底大坝部分,和一个18米的长度。其余的溢流堰部分的总长度132米。nonoverflow大坝的上游侧部分是垂直的。在下游端,斜率是最初1:0.75,然后垂直高度103.67米以上。 In the dam body near the upstream side, there is a grouting and drainage corridor. The bottom altitude is 77.00 m, the cross-section is rectangular with an arch crown, and the width × height is 2.5 m × 3.0 m. To strengthen the antiseepage ability of the dam body, two-grade roller-compacted concrete with a 3 m thickness was deployed on the upstream side. On the downstream side, below an altitude of 86.00 m, two-grade roller-compacted concrete with a 1.5 m thickness was deployed. The dam body was made of three-grade roller-compacted concrete. The bed course was made of regular concrete. The geographical location of the Shimantan reservoir is shown in Figure9。Shimantan水库的nonoverflow截面图所示10。

我们创建了一个三维有限元模型Shimantan混凝土重力坝渗流特征演化进行调查。模型选择典型nonoverflow大坝部分。的3 d模型坝体有六个不同的部分。混凝土面板是由2级混凝土。板的最大厚度是4米,最小厚度是2米。大坝的身体是由两级混凝土,齿墙是由传统的混凝土。帷幕灌浆的厚度是2 m,基岩的深度是20米。我们简化了截面的排水管坝体和坝基广场,边长是0.35米和0.2米,分别。我们延长了基金会两次大坝的高度在上游和下游的大坝。基金会的两倍高度考虑大坝的高度。 We simplified the dam body as a homogeneous porous material to reduce the element number. Totally, 653,914 finite elements are used in the 3D model. The maximum element width is 1.45 m, and the minimum element width is 0.53 m. The finite element meshes of the 3D models are shown in Figure11。

3.1.2。计算参数

自Shimantan混凝土重力坝在运行了20多年,不容易获得大坝材料的初始参数。因此,参数只能通过反分析和经验。不同材料的初始渗透系数区域获得的逆分析监控数据,和经验参数确定初始孔隙度。最初的扩散系数是计算从方程(7)与初始孔隙度。水中的钙离子扩散系数采用排水管中的扩散系数。最初的CH和C-S-H内容是6000年和9000年摩尔/ m³。体积密度和初始表面积S3(假设Phung的测试参数3),完整和淋滤体积密度是30.6/145.8米²/ g,完整和淋溶表面区域1780/1110公斤/米³。非平衡固液溶解跟着Gawin参数的模型。表中给出的计算参数1和3。

3.1.3。初始和边界条件

初始条件和边界条件如图12。

钙浸出的区域,包括普通混凝土、2级混凝土、三级混凝土灌浆帷幕,孔隙的解决方案是根据先前的研究认为是饱和(3,39]。最初的钙离子浓度被认为是零nonleaching区,包括岩层和排水管道。最初的钙离子浓度被描述为在以下方程。

上游水压力边界表面应用混凝土面板和水库流域低于107米。下游水压力边界应用表面的坝体和水库流域海拔86米以下。走廊的水压力边界被认为是潜在的水头,等于和价值z坐标。外表面是没有质量流量和流量边界。水压力边界

钙离子浓度在上游和下游水压力边界被认为是零。在以下提供的钙离子浓度边界方程。

4所示。结果与讨论

4.1。Pe数

有必要计算Pe许多不同的坝材料的初始条件确定钙化合物分解模型。给出了初始状态的Pe数字表4。

初始条件,Pe的2级混凝土、三级混凝土、普通混凝土,和灌浆帷幕是115.5,30.8,117.0,和71.7,大于1表明,钙浸出Shimantan混凝土坝advection-diffusion-driven浸出。在钙离子浸出过程中,随着钙化合物的分解,渗透系数逐渐增加。由于上游和下游水位不变,流量增加。尽管扩散系数随孔隙度,从方程(10)和(11),扩散系数的增加率比渗透系数小。因此,钙化合物的分解模型应采用非平衡模型。

4.2。总水头分布演化

图13显示整个水头分布的进化超过一百年了。从图中,我们可以推断浸出时间为0时,等值线是在面板和窗帘。几乎没有在坝体轮廓线,这表明良好的防渗性能的混凝土面板和灌浆帷幕。大坝基础的水头分布在86米和88米之间。浸出时间是10时,总水头分布基本上是一样的0。在大坝仍然没有轮廓线,表明防渗系统的工作原理。当运行时间是50,整个水头轮廓线明显变化。没有集中在灌浆帷幕的轮廓线,这表明灌浆帷幕防渗能力。坝基的水头上升到88 - 90。86米和88米水头轮廓连接到大坝的下游一侧的身体,这是以前在排水管道。 This finding suggests that the drainage pipe of the dam foundation cannot effectively reduce the uplift pressure of the dam foundation. There is still a dense contour distribution in the face slab, and a sudden drop of the water head appears, which indicates that the concrete face slab still has antiseepage ability after a 50-year leaching duration. When the leaching duration reaches 100 a, the distribution of the water head contour in the concrete face slab is no longer dense. The water head contour arrives inside the dam body, which indicates the concrete face slab has lost antiseepage ability.

在图13104年和106年,轮廓线更接近上游表面如图13比图(a)13(d),而88年和90年的轮廓线接近下游表面年如图13比图(d)13(一个)。当浸出时间是0,灌浆帷幕具有良好的防渗能力。上游侧的等值线灌浆帷幕的密度比那些下游一侧。经过100年的浸出时间,灌浆帷幕防渗能力。坝基岩石的渗透率是认为是均匀的。因此,轮廓线往往是在浸出过程中均匀分布。104年和106年的轮廓线更接近上游表面1年,而轮廓线88年和90年在100年接近下游表面。

图14显示模拟水头分布和监控之间的比较数据。上游水位107.0米,下游水位86.0米;测压管的位置如图10。黑点和广场点观测数据从2003.09.11 2007.02.05当上游水位107.2米和107.1米,和下游水位86.2米和85.9米,分别。相应的浸出时间是4和8。测压管的 ,测量值就保持在92 2005年之后,与上游水位不会改变。这个结果可能是由于堵塞引起的测压管的底部的淤泥。这个点的观测值并不代表;因此,我们从这种分析省略了这个值。

从图中,我们可以推断模拟结果与监测数据显示良好的协议,表明这种模拟的准确性。浸出时间为0时,水头下降到82.5在排水管的位置低于下游水位3.5米,显示良好的排水效果。防渗系统减少了24.5年的总水头。淋溶25时,水头的排水管是几乎一样的下游一侧。这一结果表明,排污管可以有效地减少坝基的浮力。浸出时间达到50时,灌浆帷幕和排水管道已经失去了他们的防渗能力,坝基的浮力也显著增加。下游水位达到89.1米。浸出时间是100时,下游水位上升到91.8。混凝土面板的水头下降了4 m。我们可以通过积分获得提升的压力水头以及表面的基础。 Compared with the initial time, the uplift pressure increased by 10.9% after 50 a leaching duration. After 100 years of leaching duration, the uplift pressure of the Shimantan concrete dam increased by 40.8%.

4.3。泄漏量进化

监控数据如图15和16年平均泄漏测量堰。我们计算的模拟结果如下方程: 在哪里是坝体渗漏(L / s),是溢出表面的流速垂直(米/秒),大坝的总长度645米,然后呢是数值模型的宽度6米。在这项研究中,我们假设泄漏量是相同的在所有大坝部分,忽略溢流和nonoverflow大坝部分之间的差异和河谷的影响。

从图我们可以看出15,坝体的渗漏量为0.884 L / s在2003年和2010年1.151 L / s。一年一度的大坝的渗漏的身体波动,总的来说,有增加的趋势。从数值结果和监测数据的比较,坝基渗漏的误差是0.01 - -0.32 L / s,误差为3.48 -27.46%,平均误差百分比是0.64%。模拟结果与监测数据有很好的一致性,表明这种模拟的准确性。

图16显示模拟坝基渗漏量的治疗和监测数据从测量堰。坝基渗漏也从年平均量,计算和数值结果也从方程(15)。值得注意的是监控数据和仿真结果包括渗流对侧壁的走廊。坝基渗漏主要来自;然而,也有一些从下游绕过渗流。从图中,我们可以推断出坝基的渗漏量为1.341 L / s, 2003年的0.457 L / s比三峡大坝的身体。在2010年,泄漏量为1.400 L / s, 0.249 L / s比大坝的身体。一年一度的坝基的渗漏也波动;总的来说,有增加的趋势。从数值结果和监测数据的比较,坝体渗漏的误差是0.01 - -0.24 L / s,误差为0.8 -21.6%,平均误差百分比是1.18%。因此,模拟结果是在良好的协议与监测数据,表明这种模拟的准确性。

图17展示了进化的坝体和坝基渗漏数量超过一个世纪。从图中,我们可以推断在第一个十年,比大坝坝基的渗漏是更重要的身体,然后,坝体的渗漏超过大坝基础。渗流经过不同结构和材料的坝基渗漏,包括岩石和灌浆窗帘。当窗帘的水力传导率高于岩石,坝基的渗漏不能显著增加。在图的水头分布13(c)表明灌浆帷幕的渗透系数比岩石,后来和灌浆帷幕防渗能力。然而,漏演化曲线仍随浸出时间在2050年之后。泄漏增加速度变得越来越快,可能是因为旁路的坝体渗流。我们可以从数据推断13(c)和13(d),水的密度分布轮廓的坝体表明旁路在坝体渗流浸出过程中逐渐增强。对于坝体渗漏,渗流通过混凝土面板。与板的渗透系数的增加,坝体的渗漏会不断增加。经过100年的浸出时间、泄漏量的坝体和基础上涨48和17倍。

4.4。水力梯度进化

图18显示了水力梯度的进化在混凝土面板中央线84.3米。中央线的位置如图10。我们从下面的方程计算水力梯度。 在哪里水力梯度, , ,和水头梯度的吗H。

初水力梯度的最大值为11.93,小于150年的允许值。有一个突然的下降从上游侧面积3 m,水力梯度和最低的是0.30。这个结果是因为坝体排水管道的存在。随着浸出时间的增加,上游侧的水力梯度减少,虽然略微上升在区域1 - 2米远离上游侧。这是由于增加上游面板混凝土的渗透系数。淋溶50时,上游侧水力梯度下降到3.36,而背后的地区排水管增加到2.15。这个结果是由于钙化合物的分解在上游侧。上游侧的渗透系数大于下游一侧。当100年淋溶,上游侧的水力梯度下降到1.75,和下游一侧增加到3.41。下游一侧的水力梯度的增加也反映了绕过坝体的渗流。

图19展示了进化的水力梯度灌浆帷幕中央线为61.00 m。灌浆帷幕中央线如图10。水力梯度是2.6在初始时刻。随着浸出时间的增加,水力梯度减小。浸出时间是100时,水力坡度为0.11,比最初低了95.8%。我们可以看到从水力梯度曲线的演变,上游侧的减少下游一侧的要快得多。这个结果是因为渗流控制钙离子迁移方向。钙离子是由上游到下游。上游侧的钙离子浓度低于其他地区。因此,钙化合物的分解是更快,更重要的渗透系数。

4.5。灵敏度分析的CH内容和初始渗透系数

为了更好地理解钙浸出过程中水泥基材料,我们进行参数敏感性分析CH的内容和初始渗透系数。总水头分布表明,窗帘在浸出过程中最脆弱的结构。因此,进化的CH浓度固体骨架、渗透系数、导水率增加灌浆帷幕的时候用不同的CH内容,和初始渗透系数进行了研究。

CH灵敏度分析的内容,总钙化合物15000摩尔/ m³,CH内容是0.4,0.2,0.05和0.02。这四组CH内容命名灌浆帷幕一个,B,C,D。灵敏度分析的初始渗透系数、初始渗透系数 , 。其他参数都是相同的作为初始模拟。

图20.显示了演化曲线的残余CH窗帘中线在100年。从图我们可以看到,在整个浸出过程中,上游侧的CH浓度低于下游方面,表明上游侧更容易受到钙浸出。浸出时间是50时,淋溶CH的这四个灌浆窗帘x= 0 m点是652、651、639和300摩尔/ m³,在灌浆帷幕和CH的分解率一个是略高于B和C。对灌浆帷幕D在0.7米,CH完全淋溶。浸出时间是100时,淋溶CH的这四个灌浆窗帘x= 0 m点是1287、1284、750和300摩尔/ m³。CH在灌浆帷幕C完全是淋溶在0.4 m, CH在灌浆帷幕C完全是淋溶。

图21显示在灌浆帷幕渗透系数的演化曲线中线(海拔75米)100年。所有灌浆窗帘的初始渗透系数 。从图我们可以看出21浸出时间是50时,浆液的渗透系数窗帘一个,B,C几乎是相同的。然而,当浸出时间是100年,浆液的渗透系数曲线窗帘一个,B,C是不同的。在0.4 m的上游侧,灌浆窗帘的渗透系数一个和B多种多样的 来 ,和灌浆帷幕C,水力传导率 来 。结合CH分布,如图20.,在CH分解阶段迅速渗透系数增加。完成分解后的CH,帷幕渗透系数的崛起将会慢下来。对灌浆帷幕C,因为低初始CH内容,经过100年的钙浸出,水力传导率数量级仍然是 。这些结果可能会提供一种方法来改善灌浆钙浸出耐久性的窗帘。我们可以使用添加剂,如粉煤灰或硅气体降低灌浆窗帘(CH含量59]。

此外,少量外加剂不能有效减缓灌浆帷幕的水力梯度的增加。有必要减少CH内容通过添加大量的外加剂。CH内容越少,越好钙浸出耐久性灌浆的窗帘。

图22显示了灌浆帷幕的水力传导率演化曲线中线与不同初始液压导率,和初始液压导率 是实际的灌浆帷幕渗透系数。上游和下游水位107米和86米。相应的初始Pe是5.1,50.6,299.4,544.5,和浸出时间是100年。最初的CH和C-S-H内容保持不变。从图中,我们可以看到初始渗透系数越小,越少增加在同一时间。经过100年的浸出时间、最大增加上游侧。灌浆窗帘的初始渗透系数10 K和1.0 K,增加时间分别是67.8和66.9。渗透系数的增加时间减少与上游侧的距离。然而,对于灌浆窗帘与初始渗透系数0.1 K和0.01 K,在下游端渗透系数增加倍高于中间部分。当Pe数量超过100,我们可以忽略扩散的影响。 For these two curtains, the Pe numbers are 50.6 and 5.6. With the decrease of Pe number, the diffusion effect becomes more and more evident in the leaching process. If the hydraulic gradient is 0, the increased hydraulic conductivity times on the upstream and downstream sides should be symmetrically distributed. Eventhough the hydraulic conductivity evolution is significantly affected by the initial hydraulic conductivity, the final hydraulic conductivity is determined by calcium composition.

4.6。讨论

在现有advection-diffusion-driven钙浸出模型,孔隙度通常是计算平均摩尔体积,导致不准确的水力传导率计算。CH产生毛细毛孔的分解,分解C-S-H导致凝胶孔和毛细毛孔。此外,微观结构变化对渗透系数的影响也忽略了。在这项研究中,我们提出了一种新的advection-diffusion-driven钙水泥基材料的浸出模型,认为CH和C-S-H分解对孔隙的影响经济增长被认为是,分别。通过这种方式,一方面,我们可以使用模型来研究水泥组件钙浸出的影响。另一方面,材料的孔隙度演化可以更准确地确定。此外,我们采用了Kozeny-Carman (KC)与渗透系数演化模型。通过这种方式,微观结构变化对渗透系数的影响考虑在内。

KC关系需要演化曲线的体积密度和特定的浸出过程中孔隙的表面积。Phung的这个问题,测量体积密度和特定孔隙表面积的完整和淋滤水泥浆样本,假设这两个参数是线性变化的减少Ca / Si [3]。在这项研究中我们采用了这种假设。然而,对于更准确的模拟,体积密度和特定的孔隙表面更多的数据是必要的。

在前面的文献,水泥基材料的运输性质假定不变的大坝渗流特征分析。然而,由于钙浸出现象,水泥基材料的渗透系数和扩散系数增加,所以大坝的渗流特点不是常数。随着浸出程度的增加、渗流特征不断变化。为了更好地理解混凝土坝服务性能在整个生命周期中,有必要在浸出过程中分析渗流特征。根据渗流特征的进化Shimantan混凝土重力坝,以下工程措施建议增加混凝土大坝的防渗系统的效率,防止钙浸出。主要的混凝土坝的防渗结构是混凝土面板和灌浆帷幕。钙浸出的混凝土面板,我们可以喷涂聚脲弹性体等防渗涂层的上游侧脸板防止水库水渗透。灌浆窗帘,它是不可能避免钙浸出喷涂材料。不过,我们可以使用掺合料,如粉煤灰和硅粉减少CH内容。CH含量较低,更少的毛细管孔隙是由CH分解,和渗透系数增加钙浸出过程将大大慢下来。

在这项研究中,水泥基材料的材料特性在混凝土大坝孔隙度、扩散系数、渗透系数、和钙含量固体骨架。本研究的重点是钙浸出影响大坝渗流特征。在水库大坝的实际运行,许多其他因素影响钙浸出过程中,应力状态、水质、温度。例如,材料的应力状态将影响孔隙度和传输特性。假设被认为在分析力学性能。有必要提供水泥基材料的本构模型的进化在浸出过程和hydromechanical-chemical (HMC)耦合机制,这使得模型非常复杂。在这项研究中,我们忽略了这些因素来简化计算。在水工建筑物解决钙浸出问题更准确地说,这些因素的影响需要进一步研究。

5。摘要和结论

我们提出了一种新的数学模型hydrochemo水泥基材料的行为调查混凝土坝渗流钙浸出过程中的演化特征。该模型考虑了不同钙化合物分解对孔隙度演化的影响。的三维有限元模型Shimantan已建混凝土重力坝。水头分布、泄漏和水力梯度进化在浸出过程中获得。主要结论如下:(1)提出了模型的仿真结果与以前的研究一致。与现有的模型相比,不同钙化合物分解的影响考虑在内。该模型把C-S-H分解产生的凝胶孔对交通的影响特性。因此,导水率和扩散系数的模拟进化是更准确。(2)根据大坝的渗流演化领域,最重要的钙浸出对混凝土重力坝沿着大坝增加浮力支持由灌浆帷幕的故障引起的。模拟坝体和基础的泄漏显示良好的协议与监测数据,表明该数值模型的合理性。(3)经过100年的浸出时间、泄漏量增加48和17次坝体和基础。的浮力Shimantan混凝土坝增加了40.8%。混凝土面板板的水力梯度和灌浆窗帘在浸出过程中继续减少。(4)通过灵敏度分析,初始渗透系数显著影响钙浸出率。钙成分决定了最终的渗透系数。获得更好的钙浸出耐用性,我们应该尽可能减少CH内容。

附录

a的摩尔体积C-S-H浸出过程

的摩尔体积C-S-H在浸出过程中被定义为 在哪里是当前C-S-H摩尔体积, , 是初始C-S-H摩尔体积, , 是最初的Ca / Si比率, 是当前Ca / Si比率。在diffusion-driven浸出,y是孔隙溶液中钙离子浓度的函数(38]。然而,在advection-diffusion-driven浸出,孔溶液中钙离子浓度一般低于平衡态。因此,y不再是一个钙离子浓度的函数。在这项研究中,我们假设y是当前C-S-H浓度的函数在固体骨架 在哪里在固体骨架是当前C-S-H浓度(摩尔/ m³), , ,和与方程(3)。

b在KC孔隙结构演化关系

微孔的比表面积可以从Brunauer获得,艾美特,出纳(打赌)氮气吸附测试,容重是来自水星入侵porosimetry (MIP)测量。Phung [3]假定孔比表面积和体积密度线性随Ca / Si比率减少氢氧钙石/ C-S-H混合物。他还介绍了集中简化形状系数的计算和曲折 。集总项出现在下列方程。 在哪里是集中对声音材料,是集中对淋滤材料,是退化的程度。退化程度定义为 在哪里浸出程度,是CH的初始浓度(摩尔/ m³),是当前的CH浓度(摩尔/ m³)。

数据可用性

所有数据、模型和代码生成或使用在研究过程中都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

金融支持中国国家自然科学基金的/雅砻江共同基金(U1765205),江苏省研究生创新研究与实践项目(KYCX18 \ 0598),中央大学和基础研究基金(2018 b630 \ X14英寸)。