文摘

土石混合的流潜在影响(SRM)密实度和岩石相关内容,但没有模型来定量描述这种行为。摘要Kozeny-Carman (KC)方程利用紧性和岩石的内容被修改。然后,改良KC方程代替流动电位方程的耦合系数。新的修改模型的流潜在耦合系数取决于密实度,岩石的内容,提出了颗粒形状、颗粒级配。新修改的可靠性模型进行测试实验,并获得模型的适用范围。结果表明,当岩石内容是30%,渗透系数预测改良KC方程精度较高的密实度85 - 95%。流动电位的新修改的模式耦合系数代表的控制紧密耦合系数(75 - 95%)。密实度是85%时,渗透系数计算的改良KC方程在岩石10 - 70%的范围内容与实验数据一致。岩石的影响内容(10 - 90%)耦合系数是描述流动电位的新修改的模式耦合系数。新修改的流动电位模式耦合系数有助于定量评估的内部结构演化路堤大坝利用流动电位的现象。

1。介绍

路堤大坝发挥重要作用在防洪、灌溉、发电。然而,结构老化问题和寿命预测已成为路基的主要担忧大坝长期操作。流潜在影响是一种动电的现象,和生成过程与多孔介质的渗流密切相关1,2]。通常用于监测水的流动过程和有潜力获得路堤大坝的结构信息(3]。目前,大量的研究已经进行流媒体潜在的纯岩石和土壤耦合系数模型。SRM的填充物路堤大坝和SRM的渗流特征主要受岩石等结构性因素的内容,密实度,颗粒形状、颗粒级配曲线4- - - - - -6];这意味着SRM的流动电位模型耦合系数是不同的岩石和土壤。因此,现有的流动电位耦合系数模型不能描述SRM的结构特点。

SRM的渗透系数模型的问题已收到相当大的批判。徐和王7]指出岩土介质的渗流问题可以解决通过热力学的热传导问题,根据四个基本结构模型复合材料的热导率(平行,系列、Maxwell-Eucken和有效介质理论),SRM的渗透系数之间的关系和岩石获得的内容(见下表1)。获得了各种混合结构模型的简单组合四个基本结构模型(8]。series-and-parallel模型的基础上开发系列模型和并行模型,和SRM的体积的现象将减少微粒填充后的毛孔粗粒子是考虑在这个模型;然后,通过实验验证了模型的模型和显示精度高9]。如表所示1内容,渗透系数和岩石之间的关系建立了SRM的渗透系数模型,但该模型不依赖于密实度、颗粒级配、颗粒形状,很难将这些结构性因素到模型中。

KC方程显示了良好的性能在预测多孔介质的渗透率。大量的学者们已经成功地应用KC方程预测渗透率的粗粒度的土壤(14- - - - - -16]。最近,一些学者们应用的范围扩展到细粒度的土壤的渗透率预测用的有效孔隙度入KC方程(17- - - - - -19]。先前的研究表明,KC方程有潜力描述SRM的渗透性。KC方程揭示了孔隙度之间的关系,颗粒形状和颗粒级配20.]。然而,KC方程不是密实度和岩石相关内容。这引发我们考虑建立KC方程之间的关系通过孔隙度和压实和岩石的内容。

流潜在耦合系数一直在许多经典研究的主题的流动电位的现象。基于毛细管模型,Helmholtz-Smoluchowski (HS)方程获取流媒体提出了潜在的耦合系数(21,22]: 在哪里(V Pa¹)是流媒体潜在的耦合系数,(F m¹)是介电常数,(Pa)是动态粘度,(S m¹)是流体电导率,(V)是电动电势。HS方程是有效的表面电导率时不考虑。HS方程是独立于介质的结构,所以学者们研究了流媒体的潜在影响的大量不同的多孔介质材料通过HS方程(23- - - - - -26]。Revil et al。27)派生电动电势的解析解和比表面传导基于固液界面的电化学反应。格洛弗和Dery28),格罗佛et al。29日,格洛弗(30.)获得一个新的修改模型通过电动电势的解析模型和surface-specific电导HS方程,研究了流媒体的发展潜力耦合系数在不同浓度和pH值。流动电位之间的关系耦合系数和温度、浓度、pH值、微观结构(孔隙率、晶粒尺寸和形成因素)成立于新的修改模型。如上所述,HS方程不包含任何介质结构信息,和新修改的模型过于复杂,包括大量的参数,为现场应用不方便。

另一个模型计算流动电位耦合系数推导出基于有效的过剩电荷密度,拖的多孔介质中的水流。Revil和勒罗伊(31日)建立了一个理论体系,使用有效的过剩电荷密度来描述multifield饱和多孔介质耦合现象。的主要思想是扩展上的本地Nernst-Planck和斯托克斯方程代表基本体积扩展到宏观尺度的体积平均的方法。流潜在耦合系数是重写的新理论体系: 在哪里(C m³)是有效的过剩电荷密度,渗透率(m²),(S m¹)是导电性。这一理论体系扩展到multifield耦合控制方程的推导部分饱和多孔介质(32,33]。相同的配方流动电位耦合系数获得了在饱和毛细管模型,有效的过剩电荷密度(34]。有效的过剩电荷密度被用来计算通过实证关系(35,36]。Guarracino和Jougnot37)提出了一个分析模型有效的多余的电荷密度,使理论体系更加完整。利用方程(2)与HS方程相比,它考虑了介质的结构和表面电导率的影响(38]。此外,渗透率很容易建立与其他参数之间的关系。

在这项工作中,我们提出一个新的修改模型直接相关的流动电位紧密耦合系数,岩石内容、颗粒形状、颗粒级配。替代KC方程的基本思想是提高密实度和岩石内容到方程(2)获得一个新的修改模型的流媒体潜在的耦合系数。新修改的模型是通过与实验数据进行比较验证。在这项研究中我们的目标是提供一个模型,定量地解释了密实度的影响,岩石内容、颗粒形状、颗粒级配流SRM的潜在耦合系数。这是具有重要意义的分析和解释路堤大坝的破坏机理和健康状况。

2。模型开发

该模型由以下方法。我们首先计算岩石的孔隙度SRM的参数内容和密实度,然后用孔隙度到KC方程获得渗透率之间的关系和压实,岩石内容、颗粒级配、颗粒形状,最后考虑渗透方程(2)建立新修改的模型流SRM的潜在耦合系数。

2.1。渗透系数的SRM模型

我们假设不透水岩石和水流经细颗粒之间的孔隙。图1展示了SRM的草图的三个阶段,它是由空气、水和固体(岩石和土壤)。我们将固体的体积 (m³)。孔隙率可以表达的

在哪里(m³)是SRM的总量(m³)是完全无效的体积。SRM的总量

固相的质量可以表达的 在哪里(公斤)是固相的质量,比重,(公斤米³)是水的密度。基于水分含量,它被定义为 在哪里(公斤)和水的质量是水分。SRM的总质量(公斤) 基于方程(7),我们可以得到另一个表达式的SRM的总量: 在哪里(公斤米³)是SRM的干密度。结合方程(4)和(8孔隙比的),另一个表达式可以得到: 使用 与方程(9),我们得到

根据岩土测试标准(39),可以计算SRM的平均比重 在哪里的比重是土壤颗粒粒径大于5毫米,是土壤颗粒的比重和粒度小于5毫米,是总质量的百分比的土壤颗粒粒径大于5毫米,然后呢的总质量的比例是土壤颗粒粒径小于5毫米。在这项研究中,土壤和岩石的阈值是指采用的5毫米周et al。9),也就是说,超过5毫米是岩石和土壤小于5毫米。KC方程是由行动40和运货马车的车夫41,42),广泛用于描述多孔介质的渗透系数。渗透(m²)是通过KC方程: 在哪里KC经验常数,值为5,然后呢(毫米²毫米³)是单位体积内粒子的比表面积,为均匀的球形粒子, ,非均匀颗粒,需要修正: 科幻小说在哪里形状系数(43):圆形- 6.6;中等生硬- 7.5;和角- 8.4。(mm)的有效粒径和可以由以下公式计算: 在哪里粒子之间的比例是两个筛子,和较大和较小的筛尺寸(毫米),分别。对分选良好的晶粒尺寸, ,对分选差的晶粒尺寸, ,间断级配颗粒大小, (44]。SRM的渗透率可以通过方程(10)和(11)(12):

基于渗透率和渗透系数之间的关系, ,SRM的方程计算渗透系数可以得到:

2.2。流SRM的潜在耦合系数模型

方程(2)已被证明是适用于具有任意结构和多组分的多孔介质电解液(45,46]。因此,方程(2)也可以用来计算流动电位SRM的耦合系数。我们把方程(15)(2)得到修改后的模型的流动电位SRM的耦合系数:

岩石的内容(岩石的质量比SRM的质量被定义为岩石内容)和干密度(密实度等于干密度的比值最大干密度)替换成流潜在耦合系数模型。它曾被观察到过剩的有效电荷密度显然取决于渗透率(47]。根据经验关系,有效的过剩电荷密度可以计算(35,36]: 在哪里和常量值。我们将配合这两个常数的实验数据。这种经验关系被广泛用于捕获水流信息和几何属性的媒体48- - - - - -50]。

3所示。实验方法

试验方案如表所示2。我们使用自行设计的装置测量的潜力和水压力通过SRM当盐水流。材料的质量是严格控制的,采用相同的测试程序。具体的实验方法是描述Zhang et al。51]。

SRM材料的粒度分布(风化破碎的泥质岩)如表所示3。SRM的 和 被认为是分级,如果不是,SRM被视为分选差的(52]。所以我们认为等级1和5分选差的,虽然等级2,3,4分级(见表4)。颗粒形状角。x射线衍射测试表明,泥质岩的矿物学组成的石英(48.8%)、伊利石(22%)、钠长石(17.9%)、高岭石(2.7%)、绿泥石(5.5%)、方解石(1.8%),和赤铁矿(1.2%)。测试结果表明,SRM粉砂土。

图2显示了新设备。设备主要由水箱、PVC管、采集系统。中间的SRM是压实的水箱。泡沫板放置在SRM和上盖防止水流。布置压力传感器、Ag / AgCl不极化电极,在压实含水量米。测量的压力和潜在DH3821和DM3058分别。SRM材料的饱和含水率监测到了米。所有的实验都在氯化钠溶液0.01摩尔L¹。

解决方案后两边的水箱是平衡的,静态液压压头差和潜在的测量。PVC管提供液压压力水箱,和潜力和液压压头差测量直到流状态是稳定的。流潜在耦合系数等于流动电位之间的拟合线的斜率和液压压头差(见图3(一个))。渗透系数是通过记录单位时间内溶液的体积。有效的过剩电荷密度是由方程(2)。有效的过剩电荷密度和渗透率之间的关系可以通过拟合实验数据(见图3 (b))。我们使用一个二极装置测量SRM的电导率。SRM的材料属性如表所示5和6。

4所示。结果

如图4(一)密实度75%和80%时,有一个很大的区别改良KC方程的预测值和测量值。紧密度大于80%时,改性KC方程的计算值接近测量值。图4 (b)显示有很大的预测值和测量值之间的差别,当岩石含量达到90%。修改后的KC方程的预测值和测量值是一致的在岩石70%到10%的范围内容。

图3 (b)显示有效的过剩电荷密度取决于SRM的渗透性,与先前的研究一致(47]。我们得到的系数 和 在方程(18),分别。一些作者拟合方程(18),Jardani et al。35]和Revil [38)获得 和 ,和Boleve et al。36)建议 和 。我们获得系数是小于其他作者的拟合结果。

渗透通过改良KC方程代入方程(2)计算流潜在的耦合系数。虽然是一个伟大的渗透率测量和预测之间的区别在75 - 80%的密实度和90%的岩石渗透率的内容,但预测流动电位新修改模型的耦合系数是一致的实验数据在不同密实度(见图5(一个))。同样,这一新的修改模型代表了实验数据很好当岩石内容变化在10%和90%之间(见图5 (b))。此外,我们使用Guarracino和Jougnot [37)模型来计算流潜在的耦合系数,结果表明,该模型再现了实验数据很好,但新修改后的模型更准确比Guarracino和Jougnot的37在这项研究中)模型。

5。讨论

5.1。修改后的KC方程

密实度为75%和80%,改良KC的渗透系数预测方程表示与实验数据一致性差。这一现象的原因是,密实度低导致粘结SRM材料的不足,和微粒宽松。水力梯度较大时,微粒很容易带走,和流部分变得更大。因此,测量渗透系数大于预测渗透系数。密实度时超过80%,修改后的KC方程的预测精度更高,由于轻微的高密实度对流动状态的影响。

岩石内容SRM的90%,孔隙大小和渗流速度很大,和流体惯性在高水头层流状态,所以测量的渗透系数(表观渗透系数)是小于预测渗透系数(24]。当岩石内容从70%减少到10%,测量渗透系数接近预测的渗透系数。这个结果可以解释之间的大孔隙发达粗粒子是由微粒,因此土壤颗粒相对紧凑,孔隙中的渗流速度很低。

密实度和岩石的内容是关键参数路堤大坝建设的质量管理。项目,密实度控制90%以上,和岩石的参考值范围内容是25 - 75%9]。改良KC方程时显示了渗透系数的预测精度高密实度变化在85%和95%之间(30%岩石内容)和岩石含量变化在10%和70%之间(密实度85%)。因此,修改后的KC方程可以被认为是有效的在大多数项目。混合砂岩-泥岩的渗透系数与颗粒大小范围从60毫米到0.075毫米成功预测的KC方程(53];看来改良KC方程将有一个广泛的应用范围。

目前,一些路堤大坝的高度超过100米,和SRM材料在复杂的发生条件的高压力和高水位。有必要建立渗透率和多个参数之间的关系,有效应力和埋深等,扩大模型的应用范围。这意味着物理模型预测渗透率的SRM可能会变得更加复杂。近年来,人工智能技术在多源信息融合的优点和预测已经迅速发展,如预测煤层渗透率的变化在有限公司₂地质封存(54和预测致密碳酸盐岩的渗透率55]。这提供了一个新的想法使用多参数预测SRM的渗透性。

改良KC方程的函数密实度,岩石内容、颗粒形状、颗粒级配曲线有助于我们理解SRM在大坝的渗流机制项目和提供了一个科学依据路堤大坝的设计和材料的选择。

5.2。新修改的流动电位模型耦合系数

这两个系数是由其他作者比我们的大。这是因为有效的过剩电荷密度和磁导率与比表面积的多孔介质有关。SRM的粗颗粒含量高,粒径大,所以比表面积很小。这意味着有效的过剩电荷密度拖的水流毛孔在相同渗透率降低。

当密实度和岩石内容是90%,75 - 80%的预测渗透系数与测量值好协议,但预测流动电位耦合系数接近测量值。我们把这种现象归因于有效的过剩电荷密度和渗透率之间的关系。当SRM的渗透性增加,有效的过剩电荷密度降低。看来这种关系可以提高渗透率造成的差异。

新修改的模型显示精度高于Guarracino和Jougnot [37)模型。这个结果可以解释为实证有效的过剩电荷密度和渗透率之间的关系,提出了具体的研究对象。提出的模型Guarracino和Jougnot37)包括孔隙度、渗透率、弯曲度、浓度、德拜长度,和电动电势,但更多的影响被认为是经验的关系,如复杂的化学反应在固液表面和粒子变形。然而,Guarracino和Jougnot的37)模式仍是实验数据在不同密实度、不同岩石很好内容。

应该注意的是,电动电势不会依赖于SRM的密实度和岩石内容只要岩石矿物学和化学成分的水不改变。根据流动电位HS方程,耦合系数是一个常数。流态的变化导致流潜在的偏差从HS方程(56]。因此,流动电位在低密实度和高耦合系数降低岩石的内容。

流动电位之间的关系耦合系数、密实度、岩石内容、颗粒形状、颗粒级配曲线报告在这个研究路堤结构大坝监测是很重要的。目前,新修改的模型很少用于路堤水坝,但Guarracino和Jougnot (37)模型验证新的修改模型的可靠性,为现场应用奠定了基础。此外,Boleve et al。24和Soueid艾哈迈德et al。57)已经成功地执行响应的数值模拟的潜在泄漏通道结构的变化,进一步促进新的修改模型的应用。

6。结论

摘要密实度、岩石内容、颗粒形状、颗粒级配曲线的SRM的配方替换成流动电位KC耦合系数的方程,和一个新的流动电位的修改模型耦合系数取决于提出了SRM结构参数。修改后的KC方程和流动电位的新修改的模型耦合系数由实验验证。主要结论如下:(1)基于孔隙度之间的关系、密实度和岩石SRM的内容,我们获得改良KC方程。改良KC方程与实验数据并显示岩石内容时预测精度高30%,密实度范围从85%到95%,密实度是85%,岩石的内容范围从10%到70%。(2)通过改良KC方程到流动电位耦合系数模型,结构参数之间的定量关系,建立了SRM和流动电位耦合系数。为岩石的内容仍然是30%,密实度变化从75%提高到95%,密实度是85%和岩石内容变化从10%提高到90%,新修改的模型是在良好的协议与实验数据。(3)流动电位的修改模型耦合系数为研究提供了一个方法中构造的SRM使用流潜在影响。它有助于揭示和评估结构老化机理和路堤大坝的使用寿命。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号51879017),重庆的基础研究和前沿技术研究项目(批准号cstc2017jcyjBX0066),液压和航道工程重点实验室,教育部,重庆交通大学(批准号SLK2018B06),重庆交通大学研究生教育创新基金项目(批准号2019 b0102)。作者感谢的所有机构和个人提供了支持。