單裂隙中紊流條件下溶質(zhì)運(yùn)移特征試驗(yàn)研究(共24頁)

1、2014年畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 單裂隙中紊流條件下溶質(zhì)運(yùn)移特征試驗(yàn)研究 分類號： TV138 2014屆學(xué)士學(xué)位論文(lnwn)題目(tm)：單裂隙中紊流條件下溶質(zhì)運(yùn)移特征(tzhng)試驗(yàn)研究院 系： 地球科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 地質(zhì)工程 方 向： 地下水動力學(xué) 姓 名： 李 振 國 學(xué) 號： 2010103225 指導(dǎo)老師姓名： 馮 松 寶 指導(dǎo)老師職稱： 講 師 2014 年 5 月 19日 CLC: TV138 The2014Bachelors Degree ThesisTitle: In a single fracture under the condition of turbulen

2、t flow onsolute transport characteristics testDepartment : School of earth Sciences and Engineering Major : Geological Engineering Authors Field : Groundwater Dynamics Writers name : Li Zhenguo Student ID : 2010103225 Instructors name : Feng Songbao Instructors title : Lecturer MAY19 2014摘 要隨著地下水污染的

3、日趨嚴(yán)重，污染物在隙介質(zhì)中的運(yùn)移研究引成為了中外學(xué)者(xuzh)關(guān)注的焦點(diǎn)。這一研究不僅對深部地下工程具有重大意義，對水污染的防治也具有特殊意義。單個裂隙在裂隙網(wǎng)絡(luò)中占有重要地位，所以對于單個裂隙中水流與溶質(zhì)運(yùn)移特征研究具有重要意義。通過對基巖裂隙(li x)地下水流和溶質(zhì)在裂隙中運(yùn)移規(guī)律的研究(ynji)，對水流與溶質(zhì)在單裂隙中運(yùn)移的總結(jié)。在室內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析水流在單裂隙內(nèi)（寬度4mm9mm）平均流速、雷諾數(shù)以及水力坡度在水流形態(tài)為紊流條件下之間的關(guān)系。再此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行示蹤劑跟蹤試驗(yàn)，研究單個裂隙內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移特征，通過對流彌散模型方程與單裂隙組成的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了模擬，此結(jié)

4、構(gòu)對以后研究污染物在地下水中的運(yùn)移情況具有重要的理論和實(shí)踐意義。通過上述實(shí)驗(yàn)、分析、研究得出以下結(jié)論：（1）通過試驗(yàn)得出：水流運(yùn)動方程是非線性方程，Darcy定律不再適用于單裂隙條件；在流量以及其他條件固定時裂隙寬度對雷諾數(shù)的影響很大。（2）水流形態(tài)為紊流條件時，非費(fèi)克運(yùn)移行為在溶質(zhì)運(yùn)移時會出現(xiàn)，此時，單裂隙中溶質(zhì)運(yùn)移行為用常規(guī)的對流彌散方程解釋遇到困難；（3）建立裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移模型，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所建的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的對污染物運(yùn)移有重大意義，而且通過建立較高精度的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確地反映了單個裂隙中溶質(zhì)運(yùn)移的基本規(guī)律。關(guān)鍵詞：單裂隙； 裂隙介質(zhì)； 紊流； 溶質(zhì)運(yùn)移； 對流彌散 ABSTRACT

5、 In recent years, study of water flow and solute transport in the fractured media caused widespread concern of scholars at home and abroad. This research is of important meaning to know the deep underground engineering and water pollution prevention. A single fracture is the basic unit of fracture n

6、etwork, so the development of water flow and solute transport in a single fracture characteristics research of great significance. In this paper, through the study of bedrock fissure groundwater flow and solute transport in the fracture problem, summarizes the flow and solute transport in single fra

7、cture research present situation, through the simulation test in the room, analysis of the flow in a single fracture (width 4mm9mm) average flow velocity, Reynolds number and the hydraulic gradient in the flow pattern for the relationship between turbulent flow conditions. Then the test basis, throu

8、gh the tracer test, studied the solute transport in a single fracture characteristics, and the fracture network model composed of convection dispersion equation with single fracture by solute transport in single fracture is simulated, and the result has important theoretical and practical significan

9、ce.Through experimental analysis, statistical research and verify the model, draw the following conclusions:(1) According to the experimental conditions, the flow equations are nonlinear, Darcys law no longer applies to single fracture conditions. Influence of crack width on the Reynolds number in t

10、raffic and other conditions fixed;(2) The flow patterns for the turbulent flow conditions, non Fickian transport behavior will appear in the solute transport, at this moment, the conventional convection dispersion equation to explain the difficulties encountered by the solute transport in a single f

11、racture behavior;(3) Establishing the fracture network consists of a single crack in the solute transport model, after analysis of the results, show that the precision is higher fracture network model building, basic laws of solute transport in single fracture can be accurately reflect.Keywords：A si

12、ngle fracture； Fissure medium；Turbulent flow；Solute transport； Convection dispersion目錄(ml)TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc18893 緒論 PAGEREF _Toc18893 1 HYPERLINK l _Toc6914 選題(xun t)依據(jù)以及研究意義 PAGEREF _Toc6914 1 HYPERLINK l _Toc17836 國內(nèi)外研究(ynji)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc17836 2 HYPERLINK l _Toc20864 本文研究內(nèi)容及技術(shù)路線 PAG

13、EREF _Toc20864 2 HYPERLINK l _Toc5756 1基本概念與方程 PAGEREF _Toc5756 4 HYPERLINK l _Toc10828 1.1 裂隙介質(zhì)與單裂隙 PAGEREF _Toc10828 4 HYPERLINK l _Toc12802 1.1.1 裂隙介質(zhì) PAGEREF _Toc12802 4 HYPERLINK l _Toc20261 1.1.2單裂隙 PAGEREF _Toc20261 4 HYPERLINK l _Toc8668 1.2 單裂隙的水力性質(zhì) PAGEREF _Toc8668 4 HYPERLINK l _Toc5762 1

14、.3 紊流及其特性 PAGEREF _Toc5762 4 HYPERLINK l _Toc28826 1.4 對流一彌散方程 PAGEREF _Toc28826 5 HYPERLINK l _Toc32485 1.5 穿透曲線 PAGEREF _Toc32485 5 HYPERLINK l _Toc28729 2單裂隙中紊流條件下溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc28729 6 HYPERLINK l _Toc12752 2.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡介 PAGEREF _Toc12752 6 HYPERLINK l _Toc11719 2.2 實(shí)驗(yàn)材料 PAGEREF _Toc11719 6 H

15、YPERLINK l _Toc13152 2.3 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟 PAGEREF _Toc13152 7 HYPERLINK l _Toc17160 3單個裂隙中的水流性質(zhì) PAGEREF _Toc17160 9 HYPERLINK l _Toc19427 3.1 建立的裂隙模型與所得的立方定律 PAGEREF _Toc19427 9 HYPERLINK l _Toc32331 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 PAGEREF _Toc32331 10 HYPERLINK l _Toc25306 3.3 非線性流動狀態(tài)方程 PAGEREF _Toc25306 11 HYPERLINK l _Toc22

16、989 3.4 小結(jié) PAGEREF _Toc22989 11 HYPERLINK l _Toc32580 4溶質(zhì)運(yùn)移特征在單裂隙中紊流條件下研究 PAGEREF _Toc32580 12 HYPERLINK l _Toc18273 4.1 溶質(zhì)運(yùn)移與流速和裂隙寬度模擬實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc18273 12 HYPERLINK l _Toc32560 4.2 分析 PAGEREF _Toc32560 14 HYPERLINK l _Toc14907 4.3 小結(jié) PAGEREF _Toc14907 15 HYPERLINK l _Toc26852 5結(jié)論 PAGEREF _Toc268

17、52 16 HYPERLINK l _Toc26625 5.1 結(jié)論 PAGEREF _Toc26625 16 HYPERLINK l _Toc17308 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc17308 17 HYPERLINK l _Toc32248 致 謝 PAGEREF _Toc32248 18 2014年畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 單裂隙中紊流條件下溶質(zhì)運(yùn)移特征試驗(yàn)研究 單裂隙(li x)中紊流條件下溶質(zhì)運(yùn)移特征試驗(yàn)研究(地球科學(xué)與工程學(xué)院10級地質(zhì)(dzh)工程班) 指導(dǎo)老師：馮松寶緒論(xln)選題依據(jù)以及研究意義 “水是生命之源”這句話表明了水在我們自然界中具有重要的作用。但是，隨著社會的發(fā)

18、展，人類活動對地下水的影響、污染不斷加重，因此對地下水污染問題，尤其是污染物隨著地下水流運(yùn)移的問題已成為學(xué)術(shù)界和社會關(guān)注的熱點(diǎn)。對地下水流中污染物的運(yùn)移規(guī)律和機(jī)理的研究是重中之重，尤其是對裂隙介質(zhì)中溶質(zhì)運(yùn)移方面研究成果眾多1-3。但是，地下水環(huán)境的復(fù)雜、，非直觀性給無論理論上還是實(shí)驗(yàn)上的研究帶來巨大困難?？紫逗土严吨械奈廴疚镞\(yùn)移是地下水流污染物研究的主要方向，最早研究的溶質(zhì)在均質(zhì)裂隙介質(zhì)中運(yùn)移所遵循的規(guī)律依據(jù)是費(fèi)克定律(Fick)，并且由實(shí)驗(yàn)結(jié)果人們得出對流-彌散方程(ADE)，隨著科學(xué)手段、研究方法的進(jìn)步，人們研究發(fā)現(xiàn)物質(zhì)運(yùn)移不僅在裂隙介質(zhì)中不再遵循費(fèi)克定律(Fick)的現(xiàn)象，在孔隙介質(zhì)中一

19、樣會發(fā)生。因此人們開始提出了“非費(fèi)克(Non-Fickian)”運(yùn)移4，對費(fèi)克定律(Fick)存在質(zhì)疑，提出了溶質(zhì)運(yùn)移可能是時間和距離的函數(shù)的假設(shè)，屆時溶質(zhì)運(yùn)移不能單用速度和溶質(zhì)運(yùn)移質(zhì)量來進(jìn)行量化。在此同時人們在對以前費(fèi)克定律(Fick)研究的基礎(chǔ)上，也對非費(fèi)克(Non-Fickian)運(yùn)移進(jìn)行研究5-6。 單個裂隙內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移情況決定著溶質(zhì)在裂隙網(wǎng)中的運(yùn)移的趨勢，因此要研究溶質(zhì)運(yùn)移特征必須建立在單個裂隙的基礎(chǔ)上。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時研究溶質(zhì)在單裂隙中的運(yùn)移尤為關(guān)鍵。對單個裂隙內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移研究的要素可歸納為四個：裂隙，其中包括裂隙寬度、粗糙度等；水流，包括水流的速度、流量、紊流或?qū)恿鳎蝗苜|(zhì)運(yùn)移，此因素建立在

20、前兩要素的基礎(chǔ)上；水流和溶質(zhì)運(yùn)移與介質(zhì)之間的關(guān)系。在研究裂隙時，應(yīng)該著重研究裂隙的透水性，包括裂隙的寬度、裂隙面的粗糙度及其空間分布規(guī)律。在研究水流時，水的流速和流量是研究的重點(diǎn)。因?yàn)榱严吨兴牧鲃又苯雨P(guān)系著溶質(zhì)的運(yùn)移，所以在研究溶質(zhì)在裂隙中的運(yùn)移規(guī)律時，應(yīng)該先研究水在裂隙中的運(yùn)移、裂隙的性質(zhì)和其中水的運(yùn)行控制著溶質(zhì)在裂隙中的對流、彌散。本文(bnwn)基于對溶質(zhì)(rngzh)（污染物）在裂隙介質(zhì)中運(yùn)移規(guī)律的實(shí)驗(yàn)和模擬研究，采用(ciyng)示蹤劑跟蹤實(shí)術(shù)對水流與溶質(zhì)在單裂隙中運(yùn)動特性進(jìn)行了研究，在與傳統(tǒng)的對流-彌散方程求解結(jié)果進(jìn)行比較的同時，建立紊流條件下單裂隙內(nèi)的溶質(zhì)運(yùn)移特征模型。對于治理

21、和防治地下水環(huán)境中的污染物具有重大的實(shí)際指導(dǎo)意義，對人們安全使用地下水以及對地下水進(jìn)行安全評估具有知道意義。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在日漸嚴(yán)重的水污染中，地下水中的污染物在含水介質(zhì)中的運(yùn)移是水污染的關(guān)鍵。目前，無論是對溶質(zhì)在含水介質(zhì)中的的運(yùn)移問題的研究手段還是數(shù)學(xué)模型都已相當(dāng)成熟。但是對裂隙介質(zhì)的研究介紹尚處于探索不成熟階段。在對水流與溶質(zhì)在裂隙中的運(yùn)移的問題研究時，要重點(diǎn)研究裂隙中水流與溶質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律與模擬方法，以此掌握裂隙和裂隙中的地下水，為減輕水污染提供理論指導(dǎo)。這一課題日前成為關(guān)注焦點(diǎn)的原因是由于野外環(huán)境的復(fù)雜性，決定了地下水及水中的溶質(zhì)在裂隙介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律的復(fù)雜性。其中裂隙介質(zhì)中的污染物運(yùn)

22、移規(guī)律的研究備受關(guān)注，尤其是裂隙介質(zhì)中的Non-fickian運(yùn)移的問題多次被學(xué)者提出。溶質(zhì)在裂隙介質(zhì)中運(yùn)移的研究首先是針對惰性溶質(zhì)，Taylor在1953年首先發(fā)表了單個管道中層流條件下惰性溶質(zhì)的瞬時擴(kuò)散模型。1956年Aris7改進(jìn)了 Taylor的模型，使其對不同結(jié)構(gòu)的裂隙都能適應(yīng)?；鶐r裂隙中針對于溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理的研究相對較少，盡管有相關(guān)的工作者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，但目前溶質(zhì)運(yùn)移的研究仍處于初級階段。所以我們將以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理、在裂隙中運(yùn)移及其運(yùn)移過程中受水流的影響做深入的研究。本文研究內(nèi)容及技術(shù)路線 本文在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)室的單裂隙模型，

23、進(jìn)行示蹤實(shí)驗(yàn)，并控制不同流速，從而得出水力坡度、水流速度以及示蹤劑在不同裂隙寬度和水流速度下隨時間和空間分布信息，然后得出其變化規(guī)律。主演研究內(nèi)容如下：單裂隙(li x)中水流(shuli)的運(yùn)動變化在單個裂隙(li x)中的特征通過對單個裂隙中Darcy定律的使用范圍在水流為紊流條件下的研究，來建立溶質(zhì)運(yùn)移的單裂隙方程；通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析裂隙內(nèi)裂隙寬度、水流速度對水流大小的影響。（2）單個裂隙中溶質(zhì)隨水流運(yùn)動的運(yùn)移的特征在紊流條件下，研究溶質(zhì)運(yùn)移特征的穿透曲線，然后通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的對流彌散與實(shí)際的偏差，來驗(yàn)證單裂隙內(nèi)的溶質(zhì)在紊流條件下運(yùn)移特征，建立溶質(zhì)運(yùn)移模型。（3）建立單裂隙中紊流條

24、件下溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型。 技術(shù)路線： 如圖1所示： 圖1技術(shù)路線圖1. 基本概念與方程(fngchng)1.1 裂隙(li x)介質(zhì)與單裂隙1.1.1 裂隙(li x)介質(zhì) 地質(zhì)歷史時期內(nèi)，經(jīng)歷過多次而反復(fù)的地質(zhì)作用形成了裂隙巖體，巖體經(jīng)過地質(zhì)作用的破壞，內(nèi)部產(chǎn)生了大量裂隙，并且隨著地質(zhì)作用的加大，裂隙的結(jié)構(gòu)也變的比較復(fù)雜，因此地質(zhì)運(yùn)動影響較大的裂隙巖體被工程研究和科學(xué)定義上稱為裂隙巖體8。裂隙巖體的成因決定著巖體內(nèi)部的裂隙寬度、大小等特征，正常形成的巖體內(nèi)部裂隙不發(fā)育，而且透水性不強(qiáng)，研究其中水流運(yùn)動沒有較大的意義。但是，在對污染物隨裂隙巖體中的水流運(yùn)動時不可忽略天然裂隙的滲透性。1.1.2單

25、裂隙 地質(zhì)作用中形成的巖體總體可歸納為三種類型：原生裂隙：即指巖石在呈巖過程中產(chǎn)生的裂隙；構(gòu)造裂隙：在形成構(gòu)造的營力作用下產(chǎn)生的裂隙；外營力作用下風(fēng)化裂隙和卸荷裂隙9形成了次生裂隙。1.2 單裂隙的水力性質(zhì)前蘇聯(lián)學(xué)者Jiomoe在1951年開始研究水流在單個裂隙中的運(yùn)動，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了單裂隙水流運(yùn)動的立方定律。Gnerti通過實(shí)驗(yàn)分析得出裂隙面導(dǎo)水部分所占比例較小，尤其是在荷載作用下，倒溝槽現(xiàn)象更加顯著。從而對立方定律進(jìn)行了修正。之后，廣義的立方定律被周創(chuàng)兵和熊文林10等提出提出。由于地質(zhì)作用形成的巖體滲透系數(shù)可以忽略，水僅在裂隙內(nèi)流動。因此可以把水流運(yùn)動在裂隙內(nèi)的運(yùn)動可分為兩個方面

26、研究，即對層流和紊流進(jìn)行研究，通過前人的研究，我們發(fā)現(xiàn)這兩種運(yùn)動規(guī)律是不同的。Darcy定律是層流時的現(xiàn)象，水頭的損失與水流速度的大小可以總結(jié)為線性的，；紊流條件下的水力坡度與流速的關(guān)系可以用PForchhcimer公式表示11。Darcy定律(dngl)的公式形式為VKJ式中：V為水流(shuli)平均速度；L為水力坡度：K為滲透系數(shù)。1.3 紊流及其特性(txng) 關(guān)于紊流的定義，早在1883年雷諾通過實(shí)驗(yàn)就給出了最初定義，他把紊流定義為：紊流中流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動沒有規(guī)律可循，并且紊流與層流是互相滲透的。即紊流是水流作復(fù)雜無規(guī)律的運(yùn)動。1937年泰勒、1939年Dryden也對紊流進(jìn)行研究，他

27、們都得出紊流是一種不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動現(xiàn)象，紊流與水流在時間和空間上的分布有關(guān)。Hinze也在1975年對紊流運(yùn)動進(jìn)行研究，結(jié)果不難想象，他得出紊流的結(jié)果也是時間和空間的系數(shù)。 因此，我們可以得出紊流是一種“不規(guī)則”的水流運(yùn)移特征。而且研究紊流狀態(tài)時必須在時間和空間上重點(diǎn)把握。單從時間或者空間的單一方面研究紊流都是不正確的。 1.4 對流一彌散方程 為方便，我們可以去任意流動液體作為坐標(biāo)0點(diǎn)，同時以把這一點(diǎn)作為一個很小的，有型的六面體進(jìn)行研究，這一點(diǎn)沿x、y、z軸的分量為x、y和z，選把x軸定義為與0點(diǎn)的平均方向一致，首先來分析這一單元體內(nèi)的質(zhì)量守恒12。在很小的t時間該質(zhì)點(diǎn)內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量隨水流和時間

28、變化為由質(zhì)量守恒定律結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對公式進(jìn)行數(shù)學(xué)梳理得出對流彌散程或水動力彌散方程公式右邊后三項(xiàng)為水流運(yùn)動條件下的溶質(zhì)隨水流的運(yùn)移(yn y)項(xiàng)，右端前三項(xiàng)為溶質(zhì)運(yùn)移隨水動力彌散項(xiàng)。1.5 穿透(chun tu)曲線 穿透曲線實(shí)驗(yàn)是建立單裂隙水流與溶質(zhì)運(yùn)移模型的基礎(chǔ)，對穿透曲線結(jié)果的解釋通常用建立組合模型的方法來實(shí)現(xiàn)，包含穿透曲線的分布特征(如拖尾、峰值等)。如果曲線擬合僅靠數(shù)學(xué)手段(shudun)則會導(dǎo)致建立的模型失去物理意義；反之，通過分析物理過程并運(yùn)用到模型建立中則可以使模型具有實(shí)際意義。2. 單裂隙中紊流條件下溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工業(yè)化的快速發(fā)展，地下深層裂隙水受到日趨嚴(yán)重的污染。因此裂隙中

29、溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律受到各國學(xué)者的關(guān)注。溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理的理論基礎(chǔ)應(yīng)該著重對單個裂隙進(jìn)行研究。溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的確定應(yīng)建立在單裂隙中。2.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡介 國內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行的溶質(zhì)運(yùn)移的實(shí)驗(yàn)，所用的設(shè)備試件尺寸都是小規(guī)模的，很難測出裂隙中溶質(zhì)濃度的分布情況。并且實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的裂隙寬度是不可更變的，如果想研究多個裂隙內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移，就需要各種實(shí)驗(yàn)裝置分別進(jìn)行研究。分析了已有實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種可以對裂隙寬度進(jìn)行變更的實(shí)驗(yàn)裝置，以便研究各種裂隙寬度線的溶質(zhì)運(yùn)移特征的新型實(shí)驗(yàn)裝置。 本裝置是為了分析不同流速與裂隙寬度條件下裂隙中的水力特征，通過從固定的點(diǎn)進(jìn)行取樣，檢測溶質(zhì)濃度變化曲線，結(jié)合測得的水

30、力條件，得出裂隙中水流狀態(tài)，從而研究分析裂隙中的對流擴(kuò)散機(jī)理。然后在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究裂隙中溶質(zhì)運(yùn)移的規(guī)律，計(jì)算溶質(zhì)運(yùn)移的水動力彌散參數(shù)，通過精確分析建立的對流一彌散模型，來檢驗(yàn)對流彌散方程的適用條件。2.2 實(shí)驗(yàn)(shyn)材料實(shí)驗(yàn)用水：實(shí)驗(yàn)用自來水作為水源，其電導(dǎo)率固定，不需考慮(kol)其對實(shí)驗(yàn)的影響。示蹤劑：選擇合適的示蹤劑是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。對于示蹤劑的選擇具有(jyu)以下特征。示蹤劑在水中要有易溶解的性質(zhì)；能夠被準(zhǔn)確測定；示蹤劑的濃度應(yīng)易被檢測到；示蹤劑不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、在水中不具有揮發(fā)性、示蹤劑性質(zhì)也要穩(wěn)定，不能在水中發(fā)生沉淀現(xiàn)象；通過查閱資料作者了解到液相示蹤劑大致可以分為四類：同

31、位素示蹤劑： 陰、陽離子示蹤劑；染料示蹤劑：醇類示蹤劑； 結(jié)合本課題研究情況，本實(shí)驗(yàn)選擇陰、陽離子示蹤劑，選取氯化鈉作為示蹤劑，通過測定氯化鈉的電導(dǎo)率來確定示蹤劑在裂隙內(nèi)的濃度。主要實(shí)驗(yàn)器材見表2.1。表2.1實(shí)驗(yàn)器材名稱型號備注玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)LZJ-6常州熱工儀表廠電子天平FA2004N上海精密科學(xué)儀器有限公司溫度計(jì)精確度為0.1電導(dǎo)率儀DDS-307上海精密科學(xué)儀器有限公司注射器5ml、2ml、1ml醫(yī)用一次性秒表精確度為0.1秒2.3 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)的基本原理如下：實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置兩端的進(jìn)出水來測定裂隙內(nèi)的水流流量，再在測出裝置兩端的水頭差和記錄裂隙寬度來研究裂隙內(nèi)的流速

32、大小，并通過記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出該裝置中的滲透系數(shù)，驗(yàn)證Darcy定律的使用條件。通過在固定點(diǎn)進(jìn)行取樣，確定溶質(zhì)運(yùn)移的隨時間變化和在空間的分布。然后根據(jù)前人總結(jié)的水動力彌散方程，建立數(shù)學(xué)模型得出溶質(zhì)運(yùn)移彌散參數(shù)。依據(jù)(yj)實(shí)驗(yàn)原理，我們給出如下單裂隙中溶質(zhì)運(yùn)移的實(shí)驗(yàn)步驟：組裝實(shí)驗(yàn)(shyn)裝置；檢查試驗(yàn)裝置是否(sh fu)漏水；選擇濃度穩(wěn)定的示蹤劑，并放在合適的條件下保存；調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置兩端的進(jìn)出水孔，調(diào)節(jié)裂隙中的水位使其流速穩(wěn)定，并在記錄本上記錄此時的流量、裝置兩端的水位、水頭差；當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置兩端的水流、水位不再變化時，我們可以在實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水端加入所選的示蹤劑，同時對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄，確定一個時間

33、段，每到一個時間點(diǎn)從裝置的裂隙中取出一定的試樣，記錄此試樣的編號、進(jìn)水時注入的示蹤劑濃度以及此時的室內(nèi)溫。并且在樣品被取出時及時測出電導(dǎo)率；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行清洗，從而不影響下次實(shí)驗(yàn)。改變裝置內(nèi)部的裂隙寬度，并檢查實(shí)驗(yàn)裝置是否漏水，排除實(shí)驗(yàn)裝置對實(shí)驗(yàn)的影響。 按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相應(yīng)完成了一次溶質(zhì)在裂隙內(nèi)的運(yùn)移實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)后通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，對實(shí)驗(yàn)裝置中的裂隙寬度進(jìn)行控制，重復(fù)操作實(shí)驗(yàn)步驟即可研究不同水流速度和不同裂隙寬度下的溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)規(guī)律。3. 單個裂隙(li x)中的水流性質(zhì) 由于巖體中存在裂隙，導(dǎo)致巖體中的滲流性質(zhì)與一般多孔介質(zhì)(jizh)是不同的，其具有復(fù)雜性和特殊性。如均勻性、

34、各向異性以及其他與應(yīng)力有關(guān)的性質(zhì)。 裂隙形成(xngchng)的網(wǎng)絡(luò)是是由單個裂隙在相互串連貫通下形成的，地質(zhì)作用形成的裂隙巖體的滲透性和水流在裂隙中的滲透方向不僅被裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育的大小、寬度所影響，裂隙網(wǎng)中的單個裂隙的幾何特征也是其重要的制約因素，例如單個裂隙的寬度，裂隙所發(fā)育的方向，裂隙表面的粗糙程度和裂隙內(nèi)部被填充的物質(zhì)。因此，對單個裂隙內(nèi)的水力性質(zhì)進(jìn)行研究效果的好壞直接影響到我們所要研究的裂隙網(wǎng)中溶質(zhì)運(yùn)移的規(guī)律。所以我們應(yīng)該重點(diǎn)把握單個裂隙的水力性質(zhì)。3.1 建立的裂隙模型與所得的立方定律 法國工程師HDarcy在1856年在研究Dijon城的自來水廠給城市供水系統(tǒng)時，為了解決供水系統(tǒng)

35、的問題，他進(jìn)行用直立均質(zhì)的砂柱對供水問題進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。最終在對模擬實(shí)驗(yàn)研究和分析的基礎(chǔ)上他得到Darcy線性滲流定律13。同時他確定如果想把此定律應(yīng)用到裂隙水流中，其前提條件必須是為層流的水流，其形式為： 式中：K為裂隙(li x)面的滲透系數(shù)：b為裂隙寬度：g為重力加速度；為水流(shuli)運(yùn)動粘滯系數(shù)：J為沿裂隙面方向的水力坡度。 之后，為了(wi le)明確Darcy定律的使用的前提條件，以及驗(yàn)證立方定律的是否正確，中外學(xué)者都進(jìn)行了大量的單裂隙水流模擬性實(shí)驗(yàn)，一致得出立方定律只有在水流為層流的情況下才是正確的。Romm13為了確定立方定律使用時的裂隙寬度的臨界值，也進(jìn)行了大量的模擬實(shí)驗(yàn)

36、，他通過對0100m的微裂隙和0.2543m極微裂隙進(jìn)行研究，最后得出提出了立方定律使用時裂隙寬度臨界值為0.2m，裂隙寬度只有在次條件下才能成立。 但是，在我們所研究的范圍內(nèi)，即使我們忽略裂隙表面的粗糙程度和裂隙中被填充物所充填，我們發(fā)現(xiàn)立方定律使用時也是有一定的前提的。因?yàn)?，在我們所研究的地下水中，水力?lián)系是錯綜復(fù)雜的，特別是在水力聯(lián)系條件比較暢通的情況下，水流中的混亂情況比較嚴(yán)重，基于這種現(xiàn)實(shí)因素，我們將不能使用Darcy定律，同時立方定律也將不再適用與我們所確定的研究條件。在這種情況下，有必要研究骨折在湍流條件下的水力特性。 在國內(nèi)，地下水在基巖裂隙中的運(yùn)移規(guī)律也被學(xué)者們所重視。田開銘

37、等14、速寶玉等15通過大量的實(shí)驗(yàn)，研究裂隙介質(zhì)中的水力學(xué)運(yùn)移特征，并且在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)的探討。孫峰根等16、羅紹河等17、錢家忠18等也在實(shí)驗(yàn)室對裂隙水在基巖中的運(yùn)移情況進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，最終確定了在我們所給定的實(shí)驗(yàn)條件下，裂隙中的水流特征會發(fā)生nonDarcy現(xiàn)象。3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 根據(jù)(gnj)我們(w men)實(shí)驗(yàn)(shyn)中所要達(dá)到的目的，我們既要調(diào)整裂隙寬度進(jìn)行不同裂隙寬度下的溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，也要收集以前的大量相關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，此時我們才能更準(zhǔn)確的把握好地下水在地下基巖裂隙中的運(yùn)移規(guī)律?；趯λ髁魉倥c水力坡度的研究，我們得出單個裂隙內(nèi)的水流流動狀態(tài)，如下表3.1，表示

38、在不同水力梯度的情況下對應(yīng)的不同水流速度。表3.1水力坡度一流速對應(yīng)表水力坡度0.00260.00200.00100.00050.00160.00260.0006流速cm/s1.2230.9350.61610.38950.79211.1630.4561水力坡度0.00200.00300.00460.00110.00310.00550.0084流速cm/s0.9021.3531.8120.67851.36752.03632.696在水流狀態(tài)為層流假設(shè)的基礎(chǔ)上，我們再根據(jù)前文研究的達(dá)西定律的形式v = KJ，擬合實(shí)驗(yàn)中所得到的表中的數(shù)據(jù)，得出單裂隙下滲透系數(shù)的方程為由所成的圖中我們可以得出相關(guān)系數(shù)

39、擬合值為0.79103，其擬合曲線見圖3.1。圖3.1按Darcy定律擬合所得的水力坡度一流速圖由圖3.1得出結(jié)論，在我們所確定的實(shí)驗(yàn)室條件下，達(dá)西定律在此并不適應(yīng)，而此時的水流特征為非線性。所以，我們不能將達(dá)西定律應(yīng)用到當(dāng)水流狀態(tài)為紊流的情況下。由于達(dá)西定律在只適用于平面一維、流體為單相層流、而且流體為不可壓縮的情況，通過對實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)總結(jié)，并且查閱最新的相關(guān)資料，我們總結(jié)出在實(shí)驗(yàn)室所確定的實(shí)驗(yàn)條件下，我們需要建立非線性流動方程，用來分析單裂隙中的水力特征。3.3 非線性流動狀態(tài)方程 現(xiàn)實(shí)中流動的液體是不可壓縮的，而且流體呈線性流動，并在源源不斷，流體是在三維空間中作不規(guī)則運(yùn)動的，流體運(yùn)

40、移的基本微分方程為上式成立的前提條件必須是Darcy定律能在次實(shí)驗(yàn)中使用，前文通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的建模，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，我們證實(shí)在此實(shí)驗(yàn)裝置所確定的水流動態(tài)局限的情況下，我們將不能使用現(xiàn)有的Darcy定律，而且我們實(shí)驗(yàn)中的水流速度v與水力坡度(pd)之間的聯(lián)系不再是線性的，因此，我們總結(jié)出新的流體運(yùn)動的非線性基本微分方程上式即為水流在穩(wěn)定(wndng)狀態(tài)下的非線性流動方程。3.4 小結(jié)(xioji) 通過我們的實(shí)驗(yàn)，對水流、水力坡度之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，研究了在不同水流速度下水力坡度的變化特征，以及流速與裂隙寬度之間的關(guān)系，分析了大哥裂隙中水流流動的變化以及裂隙特征對流速變化的影響，并提出

41、了液體在做非線性流動時的方程，其方程為流體運(yùn)移連續(xù)性方程，得到結(jié)論如下：在實(shí)驗(yàn)室所確定的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)液體流動遵循不規(guī)則的紊流條件，達(dá)西定律將不能使用，液體流動只能遵循我們所總結(jié)出的非線性流動方程；根據(jù)我們所得出的非線性流動方程，并且通過方程式的數(shù)學(xué)梳理，我們得到了特殊的非達(dá)西運(yùn)動的液體在流動時的方程，該方程和我們實(shí)驗(yàn)室所測數(shù)據(jù)吻合度較好，表明在實(shí)驗(yàn)室條件下非達(dá)西運(yùn)動的公式比較適合。4. 溶質(zhì)運(yùn)移特征在單裂隙中紊流條件下研究 通過在前文的討論，我們分析了單裂隙中水流的形態(tài)，我們對單裂隙中水流運(yùn)動的特征已有所了解。本章我們將通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不同裂隙寬度、水流速度的實(shí)驗(yàn)，以獲得突破曲線，并且在

42、分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴鶖M合的溶質(zhì)運(yùn)移曲線與我們慣用的對流彌散方程之間的誤差，確定常用的對流彌散方程是否適合我們實(shí)驗(yàn)室條件下。然后我們再用多個單裂隙組成裂隙網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的裂隙網(wǎng)水力條件實(shí)驗(yàn)，從而確定在實(shí)驗(yàn)室的水力條件下單裂隙內(nèi)的溶質(zhì)運(yùn)移模型在水流為紊流狀態(tài)下的實(shí)際現(xiàn)象。4.1 溶質(zhì)(rngzh)運(yùn)移與流速和裂隙寬度模擬實(shí)驗(yàn) 為了達(dá)到研究單裂隙中溶質(zhì)運(yùn)移的研究目的，按照我們前文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，我們通過調(diào)整裝置內(nèi)的水流(shuli)流量和裂隙寬度下進(jìn)行了7組示蹤劑實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)測定示蹤劑在樣品中的電導(dǎo)率得出了所選示蹤劑NaCl的濃度值，具體數(shù)據(jù)見表4.1，并得出圖4.1的穿透曲線。表4.1不同

43、隙寬與水力條件(tiojin)下的穿透曲線濃度表隙寬：9mm；流速：0.6161cm/s；雷諾數(shù)：30.1931隙寬：7mm；流速：0.7924cm/s；雷諾數(shù)：30.3427隙寬：6mm；流速：0.9020cm/s；雷諾數(shù)：20.7010隙寬：4mm；流速：0.6785cm/s；雷諾數(shù)：14.9660時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l700.0001550.0001500.0001700.0001830.0001650.000160.850.000180.50.0002960.0004750.00271.70.0077910.00371090.0

44、032850.004482.550.0137101.50.01171220.0076950.008993.40.00961120.01781350.00681050.0078104.250.0051122.50.01671480.00531150.0051115.10.00411330.01021610.00221250.0037125.950.0028143.50.00871740.00171350.0025136.80.00191540.00211870.00161450.0015147.650.0013164.50.00132000.00071550.0013158.50.0017175

45、0.00142130.00061650.0009169.350.0010185.50.00172260.00051750.0011180.20.00051960.00072390.00031850.0008191.050.0008206.50.00032520.00051950.0002201.90.00062170.00022650.00012050.0005212.750.0003227.50.00052780.00022150.0004223.60.00052380.00012910.00032250.0001234.450.0002248.50.00033040.00012350.00

46、03245.30.00012590.00013170.00012450.0001256.150.0001269.50.0001隙寬：4mm；流速：1.3675cm/s；雷諾數(shù)：30.1601隙寬：4mm；流速：2.0360cm/s；雷諾數(shù)：44.9124隙寬：4mm；流速：2.6962cm/s；雷諾數(shù)：59.471時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l時間，s濃度，g/l250.0001100.0001100.000135.50.000119.050.000218.70.0009460.002628.10.005827.40.024856.50.019937.150.021236.10.01

47、41670.014646.20.010244.80.007277.50.006855.250.006153.50.0044880.004764.30.004162.20.002398.50.003573.350.002270.90.00221090.002482.40.001679.60.0021119.50.00291.450.00188.30.00151300.0016100.50.0017970.0014140.50.0024109.550.0007105.70.00171510.0012118.60.0006114.40.0009161.50.0005127.650.0004123.1

48、0.00071720.0007136.70.0001131.80.0005182.50.0002145.750.0005140.50.00031930.0001154.80.0001149.20.0007203.50.0003163.850.0003157.90.00032140.0001172.90.0002166.60.0001224.50.0001181.950.0001175.30.0002 V=0.6161cm/s,B=9mm V=0.7921cm/s,B=7mm V=0.9020cm/s,B=6mm V=1.3675cm/s,B=4mm V=0.6785cm/s,B=4mm V=2

49、.0360m/s,B=4mm V=2.6962cm/s,B=4mm 圖4.1不同隙寬與水力條件下的穿透(chun tu)曲線從圖4.1中可以(ky)看出，在本文(bnwn)實(shí)驗(yàn)中所確定的不同水力條件下，我們總結(jié)出實(shí)驗(yàn)中獲得穿透曲線示蹤實(shí)驗(yàn)有以下特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)中得到的穿透曲線在不同水力條件下均為不對稱的，曲線都是單峰現(xiàn)象，近似數(shù)學(xué)中的偏正曲線；裂隙寬度增加，曲線的峰值相應(yīng)減小，流速增大時，曲線的峰值也相應(yīng)增大；偏正曲線的峰值隨著流速的增加提前達(dá)到峰值點(diǎn)；偏正曲線在實(shí)驗(yàn)中均有趨于平緩現(xiàn)象（非費(fèi)克運(yùn)移），而且在實(shí)驗(yàn)中較明顯；水流速度的大小決定著偏正曲線的寬度。4.2 分析 從圖4.1可以看出，這對對流的

50、實(shí)驗(yàn)研究通常的溶質(zhì)的擴(kuò)散模型通過曲線擬合效果并不理想，特別是當(dāng)流速較高，測量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)偏差很大。從曲線的形狀可以看出，溶質(zhì)的擴(kuò)散在軸不對稱，延遲轉(zhuǎn)發(fā)擴(kuò)散的力量。因?yàn)檫@個實(shí)驗(yàn)在裂縫平滑有機(jī)玻璃板，這一現(xiàn)象的原因可能是由于溶質(zhì)吸附解析的滯后。 在溶質(zhì)吸附解析和化學(xué)反應(yīng)條件下，低流量條件造成的拖尾現(xiàn)象，而高速水流條件下尾現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于液體的紊流狀態(tài)的返混現(xiàn)象。在這個實(shí)驗(yàn)中，水的流動形式的非線性流、紊流狀態(tài)，因此，突破曲線不對稱和拖尾現(xiàn)象出現(xiàn)在流動的過程中應(yīng)該解決的原因一定程度的返混。4.3 小結(jié)(xioji) 本章討論(toln)了非線性流條件下的溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律(gul)在單裂隙下的特征。通過觀

51、察示蹤實(shí)驗(yàn)獲得信息由突破曲線形狀，分析了不同因素對溶質(zhì)運(yùn)移的影響。 由于試驗(yàn)中裂隙的壁是光滑的有機(jī)玻璃，可以排除吸附、解析因素。首先使用傳統(tǒng)的一維溶質(zhì)運(yùn)移的對流彌散方程模型建立了單裂縫，通過分析模擬的結(jié)果(特別是高速度)和測量曲線有很大偏差，不能表達(dá)出裂縫在空間的混合特征，從而無法解釋穿透曲線出現(xiàn)的非費(fèi)克的現(xiàn)象，所以只適用于定性描述。同時證實(shí)傳統(tǒng)的對流彌散方程不適用于溶質(zhì)運(yùn)移模擬紊流條件的模式。5. 結(jié)論(jiln)5.1 結(jié)論(jiln) 溶質(zhì)在裂隙中的運(yùn)移規(guī)律與裂隙中的水流運(yùn)動(yndng)密切相關(guān)，要想研究溶質(zhì)在單裂隙中的運(yùn)移情況，手相要研究裂隙中的水流運(yùn)動的規(guī)律。本文通過示蹤劑實(shí)驗(yàn)研究分析了水流與溶質(zhì)在單個裂隙中的運(yùn)移規(guī)律，重點(diǎn)研究了單個裂隙中水流場與溶質(zhì)化學(xué)場的耦合性。通過對實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，得出以下結(jié)論：當(dāng)水流條件為紊流時，Darcy定律將不再使用，應(yīng)使用非線性水流方程。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在裂隙較寬的條件下，雷諾數(shù)和前人研究的有所差別。原因是雷諾數(shù)受裂隙性質(zhì)影響較大。常規(guī)的對流彌散方程僅適用于模擬水流為層流的條件下，當(dāng)模擬水流為紊流時，其在擬合非線性流時偏差較大不能解釋曲線中出現(xiàn)的非費(fèi)克運(yùn)移情況。水流形態(tài)影響了穿透曲線的偏正態(tài)和非費(fèi)克運(yùn)