CN115096784B - 基于Forchheimer定理对高渗混凝土非线性低流速时渗透系数的测定 - Google Patents
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Abstract
基于Forchheimer定理对高渗混凝土非线性低流速时渗透系数的测定，测定的具体步骤如下：步骤一：制备测试所需开裂或者透水圆柱体混凝土的标准试件；步骤二：测定标准试件的压力梯度和流速；步骤三：基于Forchheimer定理对压力梯度和流速Q的进行拟合；步骤四：标准试件的水力孔径bH的测定；步骤五：建立含有水惯性渗透性系数κi和水粘性渗透性系数κv的Forchheimer模型；步骤六：结构数据的测定和预测。本发明的方法预测精度高，测试简单，更符合高渗透性混凝土渗透性的测试计算，多组压力梯度的测试拟合计算，避免了测试过程可能出现的实验技术问题，本发明单次实验成功率高，实验过程相对简单，计算精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种透系数的测定方法，具体涉及基于Forchheimer定理对高渗混凝土非线性低流速时渗透系数的测定。
背景技术
在已有的开裂和透水混凝土水分渗透研究中，通常假设水流的压力梯度与流速呈现线性关系，并采用Darcy定律作为水粘性渗透性系数的计算基础。这无法反映渗流测试过程中流体的非线性行为，导致测试结果普遍偏低。因此，开裂混凝土和透水混凝土的渗透能力评价并不准确，渗透系数包括了水粘性渗透性系数和水惯性渗透性系数。只有准确评价不同压力条件下混凝土的水渗透能力和流速，才能对开裂混凝土进行全寿命预测和耐久性评估。
通过调研发现，采用Forchheimer定律测定混凝土的抗水渗透能力，参考研究(Zhou et al.Universal Relationship Between Viscous and Inertial Permeabilityof Geologic Porous Media,Geophys.Res.Lett.,46(2019)1441-1448.)，通过引入水粘性渗透性系数和水惯性渗透性系数来表征克服水的粘性耗散和克服水的非线性动量耗散。
现有文献(S.T.Martins Filho,R.Pieralisi,F.C.Lofrano,Framework tocharacterize nonlinear flow through pervious concrete,Cem.Concr.Res.,151(2022)106633.)证明了透水混凝土在渗流过程中存在明显的非线性行为。CN 110487699 B提供一种透水混凝土渗透系数的试验装置及试验方法，在不同压力梯度下，基于Darcy’slaw计算水粘性渗透系数，主要对透水混凝土中因孔隙分布不均对水粘性渗透系数的影响的问题提出解决方案，但是没有对渗流过程中的非线性流对测试结果的影响，即没有考虑水惯性性渗透系数对水粘性渗透系数结果的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可精准测定不同连通裂缝或宏观连通孔隙的水粘性渗透性系数和水惯性渗透性系数，且不同压力梯度下预测值精确度高的基于Forchheimer定理对高渗混凝土非线性低流速时渗透系数的测定。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，基于Forchheimer定理对高渗混凝土非线性低流速时渗透系数的测定，测定的具体步骤如下：
步骤一：制备测试所需开裂或者透水圆柱体混凝土的标准试件，并对其做真空饱水条件保持处理：真空饱水条件处理时间为3h-5h，标准试件的直径为d，厚度为L；
步骤二：测定标准试件的压力梯度和流速：测试时的环境温度控制为恒定温度T，此时测试液体的粘性系数μ和密度ρ已知，调整压力梯度，进行渗流实验测试，获得7-10组压力梯度(0-2.5MPa/m)和渗流流速实验值；
步骤三：基于Forchheimer定理对压力梯度和流速Q的进行拟合：依据基于Forchheimer的压力梯度/>--流速Q模型，将压力梯度和流速的数据组计算拟合并确保其拟合相关系数大于0.99，否则返回步骤二重新实验，计算获得线性参数A和非线性参数B，最终获得该测试的标准试件连通裂缝或者宏观连通孔隙的压力梯度/>和流速Q之间的关系如公式(1)，其中：压力梯度为/>线性系数为A，非线性系数为B，流速Q的量纲单位分别为Pa/m，kg/m5·s，kg/m8和m3/s；
步骤四：标准试件的水力孔径bH的测定：通过实验得到的线性参数A结合标准试件的直径d、液体的粘性系数μ，根据公式(2)，求解出标准试件的连通裂缝或者宏观连通孔隙的水力孔径bH，其中的水力孔径bH，粘性系数μ，直径d的量纲单位分别为m，Pa·s和m；
步骤五：建立含有水惯性渗透性系数κi和水粘性渗透性系数κv的Forchheimer模型：已知压力梯度由流速Q的模型(公式(1))可以被改写成公式(3)，从而建立含有水粘性渗透性系数κv和水惯性渗透性系数κi的压力梯度/>与线性流速u的Forchheimer模型，其中水粘性渗透性系数κv，水惯性渗透性系数κi，密度ρ和线性流速u的量纲单位分别为m2，m，kg/m3和m/s；
步骤六：结构数据的测定和预测：
(1)水惯性渗透性系数κi和水粘性渗透性系数κv的测定：基于步骤三获得的线性参数A和非线性参数B、步骤四获得的标准试件的连通裂缝或者宏观连通孔隙的水力孔径bH、测试试件的直径d、液体的粘性系数μ和密度ρ，通过公式(4)和(5)分别求解出水粘性渗透性系数κv和水惯性渗透性系数κi：
(2)预测某一压力梯度下流速：基于步骤二中测试的标准试件的连通裂缝或者宏观连通孔隙的压力梯度和流速Q，再基于步骤三拟合得该测试的标准试件如公式(1)的Forchheimer模型，可根据该模型，对该标准试件某一压力梯度/>(0～3.5MPa/m)下的流速Qx进行预测，预测公式如下：
本发明具有以下积极效果：本发明基于Forchheimer模型，可量化计算出非线性压力梯度，考虑了渗流过程的非线性，且量化了惯性项对渗流结果的影响，可准确评价开裂混凝土或者是透水混凝土的水粘性渗透性系数和水惯性渗透性系数，可进一步建立测试的连通裂缝或者是宏观连通孔隙的压力梯度与渗透流速的数学模型，有利于对开裂混凝土的和透水混凝土的传输能力进行综合评价；在计算得到基于Forchheimer定理中压力梯度与渗透流速的数学模型后，有助于对不同压力梯度的渗透流速做出准确预测；本发明的方法预测精度高，测试简单，更符合高渗透性混凝土渗透性的测试计算，多组压力梯度的测试拟合计算，避免了测试过程可能出现的实验技术问题，本发明单次实验成功率高，实验过程相对简单，计算精度高，可推广性强。
附图说明
图1为本发明实施例的线框图；
图2为本发明实施例中不同宽度的标准试件的压力梯度与流速之间的实验值和拟合计算模型；
图3为本发明实施例中不同裂缝宽度的标准试件的测试拟合计算得到的压力梯度与流速计算模型预测值和实际测试值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参照附图1-3，本实施例的基于Forchheimer定理在高渗透混凝土低流速非线性渗流下渗透系数的测定方法，包括以下步骤：
步骤一：制备测试3个开裂的直径d＝100mm和厚度L＝50mm的圆柱体混凝土的标准试件(代号分别为：宽度1，宽度2，宽度3，对应的平均裂缝宽度分别为199.35μm,482.72μm,689.68μm)，真空饱水条件保持3小时；
步骤二：测定标准试件的压力梯度和流速，测试时的环境温度控制为恒定温度T，此时测试水流的粘性系数为μ＝0.001Pa·s和密度为ρ＝998.2kg/m3，分别调整三组宽度组的压力梯度，进行渗流实验测试，各获得9组压力梯度(0～2.5MPa/m)和渗流流速实验值，如图2所示；
步骤三：基于Forchheimer定理对压力梯度和流速Q的进行拟合，依据基于Forchheimer的压力梯度/>-流速Q模型(公式(1))对压力梯度和流速的数据组计算拟合；如图2所示，宽度1，宽度2和宽度3的拟合相关系数均大于0.99，如果拟合相关系数小于或等于0.99，则返回步骤二重新实验；计算获得线性参数A和非线性参数B，最终测试获得3个开裂试件的压力梯度/>和流速Q之间的关系式，如公式(1)所示，其中的压力梯度/>线性系数A，非线性系数B，流速Q的量纲单位分别为Pa/m，kg/m5·s，kg/m8和m3/s；
步骤四：标准试件的水力孔径bH的测定：通过实验得到的线性参数A，结合已知标准试件的直径d＝100mm，和液体的粘性系数为μ＝0.001Pa·s，带入公式(2)，分别求解出宽度1，宽度2和宽度3的水力孔径bH，其中的水力孔径bH的量纲单位分别为m；
步骤五：建立含有水惯性渗透性系数κi和水粘性渗透性系数κv的Forchheimer模型：已知压力梯度由流速Q的模型(公式(1))可以被写成公式(3)，从而建立含有水粘性渗透性系数κv和水惯性渗透性系数κi表示的压力梯度/>与线性流速u的Forchheimer模型。
当非线性流体成分可忽略即水惯性渗透性系数κi可直接忽略时，所述的水粘性渗透性系数κv等于利用Darcy定理的线性模型求解出来的结果。
步骤六：结构数据的测定和预测；
(1)水惯性渗透性系数κi和水粘性渗透性系数κv的测定：基于步骤三获得的线性参数A和非线性参数B，步骤(4)获得试件宽度1，宽度2和宽度3的水力孔径bH，已知标准试件的直径d＝100mm和液体的物理参数粘性系数μ＝0.001Pa·s和密度ρ＝998.2kg/m3，按照公式(4)和(5)，分别求解出宽度1，宽度2和宽度3的水粘性渗透性系数κv和水惯性渗透性系数κi，如表1所示；公式(3)中：水粘性渗透性系数κv，水惯性渗透性系数κi和线性流速u的量纲单位分别为m2，m和m/s。
表1各个开裂试件的渗透测试参数
(2)预测某一压力梯度下流速：基于步骤三中测试的标准试件宽度1，宽度2和宽度3的连通裂缝或者宏观连通孔隙后，分别获得其如公式(1)的模型，如图3所示，利用公式(6)，分别对宽度1，宽度2和宽度3预测3个不同压力梯度值(0-3.5MPa/m)下的流速,并将各个预测值分别与实验值对比，如表2所示；
表2各个开裂试件不同压力梯度下的实际测试流速和预测流速之间的偏差
通过表1.可知，线性参数A和非线性参数B均随着裂缝宽度的增大而减小，水力孔径bH均小于平均裂缝宽度，水粘性渗透性系数κv和水惯性渗透性系数κi均随着平均裂缝宽度的增大而增大。通过表2.可知，采用Forchheimer定理可以准确预测不同压力梯度下混凝土的渗透流速，偏差的绝对值可以保证不高于1.78％.
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也仍在本发明专利的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (1)
1.基于Forchheimer定理对高渗混凝土非线性低流速时渗透系数的测定，其特征在于，测定的具体步骤如下：
步骤一：制备测试所需开裂或者透水圆柱体混凝土的标准试件，并对其做真空饱水条件保持处理：真空饱水条件处理时间为3h-5h，标准试件的直径为d，厚度为L；
步骤二：测定标准试件的压力梯度和流速：测试时的环境温度控制为恒定温度T，此时测试液体的粘性系数μ和密度ρ已知，调整压力梯度，进行渗流实验测试，获得7-10组压力梯度和渗流流速实验值；
步骤三：基于Forchheimer定理对压力梯度和流速Q的进行拟合：依据基于Forchheimer的压力梯度/>--流速Q模型，将压力梯度和流速的数据组计算拟合并确保其拟合相关系数大于0.99，否则返回步骤二重新实验，计算获得线性参数A和非线性参数B，最终获得该测试的标准试件连通裂缝或者宏观连通孔隙的压力梯度/>和流速Q之间的关系如公式(1)所示，其中：压力梯度为/>线性系数为A，非线性系数为B，流速Q的量纲单位分别为Pa/m，kg/m5·s，kg/m8和m3/s；
步骤四：标准试件的水力孔径bH的测定：通过实验得到的线性参数A结合标准试件的直径d、液体的粘性系数μ，根据公式(2)，求解出标准试件的连通裂缝或者宏观连通孔隙的水力孔径bH，其中的水力孔径bH，粘性系数μ，直径d的量纲单位分别为m，Pa·s和m；
步骤五：建立含有水惯性渗透性系数κi和水粘性渗透性系数κv的Forchheimer模型：已知压力梯度由流速Q的模型，公式(1)可以被改写成公式(3)，从而建立含有水粘性渗透性系数κv和水惯性渗透性系数κi的压力梯度/>与线性流速u的Forchheimer模型，其中水粘性渗透性系数κv，水惯性渗透性系数κi，密度ρ和线性流速u的量纲单位分别为m2，m，kg/m3和m/s；
步骤六：结构数据的测定和预测：
(1)水惯性渗透性系数κi和水粘性渗透性系数κv的测定：基于步骤三获得的线性参数A和非线性参数B、步骤四获得的标准试件的连通裂缝或者宏观连通孔隙的水力孔径bH、测试试件的直径d、液体的粘性系数μ和密度ρ，通过公式(4)和(5)分别求解出水粘性渗透性系数κv和水惯性渗透性系数κi：
(2)预测某一压力梯度下流速：基于步骤二中测试的标准试件的连通裂缝或者宏观连通孔隙的压力梯度和流速Q，再基于步骤三拟合得该测试的标准试件如公式(1)的Forchheimer模型，根据该模型，对该标准试件压力梯度/>为0～3.5MPa/m下的流速Qx进行预测，预测公式如下：
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