基于透明土孔隙介质双渗流模型试验研究

金韦剑，朱斌

基于透明土孔隙介质双渗流模型试验研究

金韦剑，朱斌

（桂林理工大学地球科学学院，桂林 541006）

对土体内部渗流可视化研究，透明土材料可以作为的重要研究手段之一，能实现的岩土体内部渗流直接观测研究。利用透明土技术，建立双重孔隙型介质渗流物理模型，利用有限差分软件FLAC3D建立双重孔隙型介质结构三维数值分析模型，进行测量数据和数值模拟计算对比分析。模型试验结果和模拟结果表明，基于透明体的双渗透实验能实现渗流的可视化，以及FLAC3D数值模拟结果与实验所测的流速曲线拟合良好。

透明土；双重孔隙介质；模型试验；数值模拟；渗流

1856年达西第一个提出地下水在孔隙介质中的运动的渗透规律，前苏联的学者Baranblaatt[1]在1960年提出双渗流的模型的定义以来，含水层的复杂性成为广泛讨论的问题。Warren[2]在Baranblaatt的基础上，对介质的渗透特性和几何特性增加了新的假定条件，使双渗流实验模型更加的完整。Mounation & Perroche[3]对于双渗流在理论及数值模型进行研究，并获得了双渗流的场的解析解。渗流模型实验作为渗流力学研究的一种重要手段，在渗流的基础上对介质的几何特性和渗透特性增加了新的假定条件，使双渗流的模型更加的完整。极大的丰富和发展了双重介质模型、数值模拟和数值分析及计算，在进行室内实验模拟中，为了能够直接观测土体内部微观渗流动态，Iskander[4]等对透明土的基本物理性质开展了大量试验工作，本文提供了一种用于模拟双孔介质的可视化微观渗流模型。并且通过计算机用FLAC3D软件构建的岩体可视化三维数值模型[5]，采用库伦-摩尔塑性模型建立双渗流数值模型[6]，对模型渗流过程进行分析，通过孔压的分布了解渗流场的具体情况。

1 模型试验系统

1.1 透明砂土的基本性质

透明砂土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的液体混合，排除空气从而得到透明的饱和人工砂土。目前合成的透明土主要有两类：一种是由熔融石英砂组成的透明土体，其性质与砂相似;另一类用无定型二氧硅粉末组成透明土体，性质与黏土相似。孔隙液体是正十三烷和15#矿物油调和而成，质量比为1∶4。本文粒径选用0.5~1mm和1~3mm两种粒径组成小孔隙介质体和大孔隙介质体，形成双重孔隙介质模型。孔纲强[7]等对透明土开展了一系列基本性质分析研究，与标准砂进行了对比和三轴试验[8]；以及透明土可视化对研究精度的影响[9]等等。熔融石英砂具有较高的透明度，可以更好地模拟天然砂在岩土模型试验中的应用。

图1 透明土

1.2 透明土的制备

本研究所采用的试验装置，为提高到透明土模型试验的可操作性，采用模型尺寸为立方体亚克力板玻璃槽，外边平面尺为 200×80×150 mm，壁厚 3 mm。选择熔融石英砂，洗掉砂中的杂质，并烘干熔融石英砂；配制液体，为使透明土有良好的透明效果，使液体的折射率与熔融石英砂的折射率相同，折射率为1.4585；先将1～3mm玻璃砂缓慢倾倒入混合油中，并用玻璃棒不断搅拌，保持液体水平面略高于玻璃砂颗粒表面；将试样放置于真空箱中抽真空，以去除试样中的气泡，直到悬浮液透明为止，使其高度在3.5cm；再将0.5～1mm玻璃砂缓慢倾倒入混合油中，重复以上步骤，使其高度为7cm的位置，最后将1～3mm玻璃砂缓慢倾倒入混合油中，根据模型槽体积和质量，重复以上步骤，使其高度为12cm的位置，从下到上三层土的厚度分别为3.5cm、3.5cm、5cm，分别计算所制备成的各层透明砂土样品的相对密实度，获得图1透明土。

1.3 双重介质渗流试验过程

采用高精度的控流阀控制混合液体的左上流入，从而提供连续稳定的注入压力，在进液口下方设计了出液口，使液体稳定在一定高度，再打开控流阀门控制液体的从右下流出，通过控制进出液体的量，等液体高度维持不变后，注入示踪剂高锰酸钾溶液，为了获取透明土体中的渗流场，采用高分辨率数码相机对整个渗流模型进行连续拍摄，获取一序列数字图像，传入外接的计算机系统中进行图像处理，通过从不同的位置注入示踪剂可以获得不同部位切片的渗流场分布。通过不同部位切片叠加分析，可得到一个近似三维渗流场分布。本文对一个切片实验数据和FLAC3D数值模拟数据进行对比分析。实验结果获得图2。

图2 示踪剂渗流过程

2 数值模拟

2.1 流线数据拟合

为流线数据更为简洁直观，通过tecplot软件对原始数据进行线性拟合。获得如图3三条曲线。图中散点为拟合前实际流线上的数据点，实线为拟合曲线。

图3 双重介质内流线(x，z)面的线性拟合图

2.2 数值模型网格划分。

亨利·达西在1856年通过垂直的齐次砂滤波对水流动实验得出，通过多孔介质的流量与应用压力梯度成线性比例，与流体的粘度成反比的达西定律，得到广泛应用。达西定律为:

在多孔介质中，通过几何结构的理想模型可以利用粘性流动理论推导出达西定律。达西定律理论上可以推导出固体矩阵中信道配置几个简单模型。各种模型可以用来近似不同材料结构进行物理模拟。我们不考虑替代微观模型，它的几何因子不同。

我们假设立方体的两边位于x、y和z方向上。在应用压力梯度下，dp/dx，流体流经与x轴平行的管子。如果管道的流动是层流，那么在管道中，平均速度是由方程给出的：

为了获得单位面积的平均速度，达西速度u，考虑一个正方形的尺寸b垂直于x方向，角在四个管的轴上。每条管的横截面面积的四分之一位于正方形内。因此，通过一个单管的体积，相当于体积流量。所以，达西定律中的速度是：

结合（3）和（4）方程获得：

表1 土体力学参数

各向同性的渗透系数(在SI单位为m2/(pa/sec))，在FLAC3D中的应用和迁移系数一样要参照文献，渗透系数是达西定律它是达西定律的压力条件系数，并且通过表达式（7）和水力传导率 kh（例如，m/s ）有关联。

图5 计算模型

此时g是重力加速度。

表2 流体模型参数

固有透水率（例如，㎡），与k，kh相关，有如下关系式：

此时，是动力粘度（单位为N·sec/m2）。

根据实验模型，建立FLAC3D数值模型见，如图5，数值模型采用8节点六面体单元模拟，共划分 2940 个单元，2340个节点。土体网格长0.2m、宽0.09m、高0.13m。土层结构及单元设置，根据模型原始状态建立库伦—摩尔弹塑性力学模型，材料参数见表1，该模型的渗流场模拟采用各向同性渗流模型，混合液体的物理参数见表2。设定初始状态只受重力作用，设定初始孔隙水压力，求解计算平衡后土体生成初始地应力场。

图6 原始状态三维渗流场

2.3 数值模型的验证

渗流分析建立孔压分布：

选择渗流模式，打开Config fluid 命令，并设置求解模式为渗流模式。确定显示算法或隐示算法，本文使用显示算法，显示算法适合所有渗流问题的求解。设置流体参数，对渗流区域进行渗流模型和参数的赋值。渗流求解，渗流求解命令包括step和slove两种，本文采用step进行计算求解，步数为20 000步，计算20 000步后程序自动进行的是非稳定流求解。

在任何项目开始之前，都有一个原始的压力状态。如图6，在FLAC3D中，通过设置初始条件来模拟这种原始状态，是本模型在FLAC3D中初始应力平衡下所得到的三维孔隙水压分布图。在计算20 000步后，如图7是模型渗流后所形成的三维渗流场分布，从两个图中发现孔隙水压分布发生明显的变化，并且在液体流动的过程中，最大孔隙水压值明显减小了。

对示踪剂高锰酸钾溶液形成的切面进行分析，得到液体渗流过程中形成的二维渗流场，如图8所示为相应的渗流场示意图。

通过实测获得示踪剂在该平面是的运动的速率，与FLAC3D模拟获得的在该切面上的速率进行对比，在平面上取了12个点，以各点的横坐标表示该点坐标，纵坐标是各个点的速率，得到图9，发现实测速率和模拟速率相差不大。

图7 液体流动形成的三维渗流场

图8 切面上的二维渗流场

图9 实测速率和模拟速率对比

3 结语

1）与传统的视觉双渗透试验相比，基于透明土工土的双重介质渗流试验实现了渗流过程的可视化观察。且装置相对更加简易，操作也更简单，便于实验操作与理论教学中的推广应用。

2）现有透明土渗流可视化物理模型实验技术仍然存在，如材料物理性质相似、模型三维观测，以及数字图像处理精度等方面的缺陷，还需要进一步深入研究和完善该项技术。

3）在FLAC3D数值模拟中，发现模型渗流的过程中，整体孔隙水压力有所降低。通过FLAC3D数值模拟和实验数据对比，在FLAC3D中赋值真实数据参数，发现FLAC3D获得数据与实验数据接近，在实验中有很大的参考价值。

[1] Barenblatt G.l.， Zheltov l.P， Kochina l.N. Basic concepts in the theory of seepage of homogeneous liquids in fissured rocks/strata.Journal of Applied Mathematic Mechanisms，1960，24:1268～1303

[2] Warren，J.E.，Root，P.J.，1963.The behavior of naturally fractured aquifers.Society of Petroleum Engineers Fall meeting ，LA，USA，October

[3] Monysopoulos K N， Tsihrintzis V A.Analytical solutions and simulation approaches for doublepermeability aquifers .Water Resources Management[J]，2009，23:395～415.

[4] ISKANDEＲ M，LIU J Y，SADEK S.Transparent amorphous silica to model cla［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2002，128 ( 3 ) :262-273．

[5] 陈育民，徐鼎平．FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]．北京：中国水利水电出版社，2013．

[6] 彭文斌．FLAC3D实用教程[M]．北京:机械工业出版社，2008.

[7] 孔纲强，刘璐，刘汉龙，等．玻璃砂透明土与标准砂土强度特性对比三轴试验[J]．建筑材料学报，2014，17(2)：250～254．

[8] 易立达，张仪萍．透明土透明度对可视化测量精度的影响分析[J]．科技通报，2018.34(8)：176～184．

[9] 魏静，鲍宁，魏平等．透明砂土力学性质试验研究[J]．铁道工学报，2018.11(242)：14～ 19．

Experimental Study on Double Seepage Model Based on Transparent Soil Pore Medium

JIN Wei-jian ZHU Bin

(College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541006)

Transparent soil material can be used as one of the important means of visualization study of seepage field in soil mass and can realize direct observation study of internal deformation and spatial flow of rock mass. A physical model of double porosity medium seepage is established by means of transparent soil technology. The finite difference software FLAC3D is used for establishing a three-dimensional numerical analysis model of double porosity medium structure. The measured data and numerical simulation calculation are compared and analyzed. The experimental results and simulation results show that the double permeability experiment based on transparent body can realize the visualization of seepage flow and that the FLAC3D numerical simulation results fit well with the velocity curve measured in the experiment.

transparent soil; double porosity medium; model test; numerical simulation; seepage

2019-02-28

金韦剑（1992-），男，江西南昌人，研究方向：地质工程与地质灾害

TU41

A

1006-0995（2020）01-0103-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.021