灰坝工程领域岩体裂隙渗流浸润线及出漏点溶质浓度数值模拟

灰坝工程中灰水渗漏易对地下水产生污染,为预防治理地下水污染,应研究灰场污染物的运移机理,在运移工程中由于岩体裂隙的粗糙性和各向异性,渗流及溶质运移模型实际非常复杂。本文着眼于建立将粗糙裂隙岩体非连续渗流、溶质运移数学模型,应用于陡立裂隙网络岩体渗流浸润线及出漏点溶质浓度数值模拟,为定量分析灰场对地下水的影响提供理论依据。     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合作用的弹塑性有限元分析

将Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型引入笔者所研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中,并使用摩尔-库仑准则,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定弹性分析和弹塑性分析两种计算工况,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力及塑性区的变化、分布情况。结果主要显示：弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀有明显的变化,并对渗流场（孔隙水压力及流速）和应力场产生显著的影响。但两种工况弹性区中的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀差别较小。     

三维交叉裂隙渗流传质特性数值模拟

对交叉裂隙渗流传质特性的定量描述是研究整个裂隙网络渗透传质特性的基础。为真实模拟水流及溶质在三维交叉裂隙中的运移过程,首先通过三维轮廓仪获取天然岩石裂隙表面的形貌数据,再应用三维重构技术生成相应的三维交叉裂隙模型,随后求解Navier-Stokes方程,假定溶质运移满足Fick定律,模拟水流和溶质在三维交叉裂隙中的运移过程。通过对比粗糙裂隙模型与平行平板模型的模拟结果发现：粗糙度对流体的分布及流动状态存在显著的影响;不同进、出口工况下的流体流动及溶质运移状态亦表明：裂隙交叉的几何形貌会显著地影响溶质混合行为。这些结果表明,目前被广泛采用的平行平板模型在评估岩体内特别是交叉口的物质运移特性时将导致较大的偏差,在将来的研究中有必要针对裂隙交叉口的几何特征建立修正的模型以提高评估的准确性。     

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

热-水-应力-迁移耦合条件下双重孔隙-裂隙介质的抗剪强度及有限元分析

考虑裂隙的连通率、间距、孔隙基质和裂隙材料在表征单元（REV）中的体积分数,并假定双重孔隙-裂隙介质的等效内摩擦角保持常数,而等效黏聚力是固有黏聚力、等效塑性应变、基质吸力、溶质浓度及温度的函数,提出了一种在热-水-应力-迁移耦合条件下确定表征单元内任一平面上等效的黏聚力及内摩擦角的方法。针对一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置模型进行了数值模拟及分析。结果表明,基质吸力对于等效黏聚力的增强作用大于等效塑性应变和溶质浓度的减弱作用,使得等效黏聚力得到了提高,故减少了围岩中的塑性区;由此岩体应力、孔（裂）隙水压力及流速、孔（裂）隙溶质浓度的分布及量值也发生相应的改变。     

构造-流体-成矿体系的反应-输运-力学耦合模型和动力学模拟

建立了一个综合的构造流体成矿体系的反应输运力学耦合动力学模型。利用有限元方法求解岩石变形、断裂作用和断裂网络统计动力学、流体流动、有机和无机地球化学反应及成岩成矿作用、压力溶液和其它压实力学、热迁移的方程组 ,可以对构造流体成矿体系的动力学演化过程进行 1～ 3维数值模拟。模拟的主要内容是在各种过程耦合作用下描述构造流体成矿体系的主要变量的时空演化 :( 1)与成矿流体的形成和性质有关的变量 ,如地层中矿物 (包括成矿物质 )的溶解速率、流体中各组分的浓度与饱和度、流体温度、压力、离子强度等 ;( 2 )与构造变形和流体运移有关的各变量 ,如应力与变形速率、岩石孔隙度、构造 (断裂 )渗透率等 ;( 3 )与沉淀成矿有关的变量 ,如矿物 (金属矿物和脉石矿物 )的成核速率、各矿物的沉淀量等 ;( 4 )上述各有关变量间的时空耦合关系 ,如断裂渗透率时空演化与流体流动、汇聚和成矿的耦合关系等。以湖南沃溪金锑钨矿床为例 ,应用该模型和方法对成矿动力学过程和动力学机制进行了初步的模拟与分析。     

人工回灌条件下多组分溶质的反应迁移模拟

人工回灌技术在我国水资源管理中占据重要地位,但是其实施对地下水环境质量也造成了较大的影响。如何保障人工回灌条件下地下水环境质量的安全稳定性,已成为人工回灌技术发展的瓶颈。以上海市某人工回灌试验场为例,结合试验场的地质、水文地质勘探结果,以TOUGHREACT为数值模拟平台,模拟预测人工回灌条件下地下水中多组分溶质的迁移转化过程。模拟结果表明：地下水化学成分主要受混合作用、阳离子交换吸附作用及含水层矿物相溶解-沉淀作用等影响;含水介质中石英、白云石、钾长石、钠长石及蒙脱石发生溶解,方解石发生沉淀,伊利石与高岭石则先溶解后沉淀,但各矿物相反应量极其微弱;按不同压力方案回灌,水位恢复速率随压力增大而加快,但地下水中化学成分变化趋势几乎不受压力影响。     

地下水中酸性污染羽的自然净化作用数值模拟研究

酸法地浸采铀对铀矿层的地下水环境有极大的破坏作用,当开采结束后将形成酸性地下水污染羽。为恢复含矿含水层的水质,必须采取有效的污染治理措施。自然净化是一种较经济的方法,但是必须对其有效性进行评价。本研究以某退役地浸铀矿采区含矿含水层为研究对象,采用反应溶质运移模拟方法来研究酸性污染羽在含水层中的自然净化作用。研究中使用PHT3D模型模拟污染羽的运移,模拟反应组分共12种、沉淀溶解矿物共6种,模拟时长为5a。模拟结果表明:酸性污染物进入地下水后,形成了由方解石、Al(OH)3（a）和 Fe(OH)3（a）反应所控制的pH缓冲区;随着酸性污染羽的向下游高pH值地下水区域移动,方解石溶解与石膏沉淀反应可使SO42-浓度产生明显下降,其他主要金属离子污染物也有明显的自净作用。     

水岩作用对内蒙古南部砒砂岩风化侵蚀的影响分析

砒砂岩是指在内蒙古东胜至准格尔旗一带,发育于三叠纪、侏罗纪、白垩纪时期的一套河流相碎屑岩沉积,是黄河中游集中的基岩产沙区和粗泥沙的主要来源地之一。通过野外调查、样品采集和测试、水岩作用模拟等方法,分析雨水对岩石风化侵蚀的影响。对水样品测试结果的逆向模拟显示雨水对砒砂岩主要有3个方面的作用：(1)减小岩体内部粘结力,增加岩体孔隙度,促使方解石、长石、白云石、石膏和岩盐等溶解,使得岩体内孔隙度增大;(2)发生化学溶蚀,长石等矿物易于风化成高岭石、钙蒙脱石,扩大岩体中的裂隙;(3)钙蒙脱石的沉淀量较大,其遇水即膨胀的特性会给岩体内部增大压力而破坏岩石结构。水岩作用影响了砒砂岩的物理力学性质,加剧了砒砂岩风化与侵蚀。      

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合影响的数值模拟

在自主研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中引入Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型,针对一个假设的实验室尺度且位于非饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置模型,拟定两种计算工况：（1）孔隙率和渗透系数是压力溶解的函数;（2）孔隙率和渗透系数均为常数,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。研究结果表明：工况1计算终了时,压力溶解使得孔隙率和渗透系数分别下降到初始值的43%～54%、4.4%～9.1%。在核废料释热温度场的作用下,工况1、2中的负孔隙水压力分别为初始值的1.00～1.25倍、1.00～1.10倍,前者表现了压力溶解的明显影响;两种工况的岩体中的应力量值及分布基本相同。     

蒙皂石转化伊利石的数值模拟——溶解沉淀模型与化学动力学模型

提出了改进的溶解沉淀数学模型，在塔里木盆地塔中4井应用获得成功。该井石炭系的实例表明:该模型在粘土矿物内的模拟结果，与K Ar定年分析吻合，并接近于粘土矿物分析数据。实例指出:在较早提出的化学动力学模型、新近提出的溶解沉淀模型中，最敏感的参数都是活化能；将粘土矿物分析数据作为约束条件来校准活化能，是获得正确的蒙皂石史和伊利石史之关键。采用最佳活化能计算，可获得最佳模拟结果:①算出的伊利石开始生长的年代与K Ar定年分析吻合；②模拟结果与粘土矿物分析数据接近。通过实例还发现:溶解沉淀模型仅适用于粘土矿物内的转化问题，而化学动力学模型仅适用于伊/蒙间层内的转化问题。     

曹妃甸地区地下水水化学形成作用分析

在开展曹妃甸地区环境地质调查评价过程中,利用水化学组分及离子组合方法对曹妃甸地区水化学样品进行分析,结合曹妃甸地区水文地质条件,开展了地下水水化学形成作用研究,认为该区浅层地下水以溶滤地层中的岩盐、碳酸盐矿物和硅酸盐矿物为主,方解石、石膏等贫镁矿物的影响较小,同时,强烈的蒸发浓缩作用对浅层水水化学特征具有重要影响。深层...     

多场耦合作用下溶质运移模型及机制研究

最新研究表明,多孔介质中溶质运移现象受化学渗透和土壤表面电荷的多重影响。随着城市化进程的加快,卫生填埋场衬垫系统的长期安全性和淤泥脱水问题也愈加严重。为了综合研究水头,电场和化学渗透等物理作用对离子在土壤介质中迁移特性的影响,建立了一个新的多场耦合模型。该模型用有限元法取得数值解,并且利用移动边界成功实现了对淤泥脱水和填埋场衬垫系统中水溶液和化学溶质迁移问题的数值模拟。对于衬垫系统而言,化学渗透现象和渗透电势两者均可减缓溶质击穿土层的时间,有助于延长衬垫的工程寿命。对于淤泥脱水问题的分析结果表明,水力渗透系数和电渗系数分别是主导压滤式和电渗式脱水处理的主要变量。孔隙淤堵是压滤脱水中最主要的问题,土工织物表面所积聚的滤饼会导致水流量急剧下降     

反应性溶质在不同质地饱和土柱中运移的数值模拟

盐渍土壤中的物理化学作用对溶质运移具有重要影响.吸附和离子交换作用是土壤中常见的反应.利用室内土柱出流实验对这两种作用下的单组分和多组分溶质运移进行了探讨,用CXTFIT软件模拟了只考虑对流-弥散的常规溶质运移;用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行了耦合吸附和离子交换反应的模拟.结果表明,土壤质地对单组分溶质的运移具有重要影响,而在多组分溶质运移中,组分之间的相互作用对溶质运移具有更为重要的影响,并且耦合物理化学作用的模拟精度更高.     

井内混合效应与尺度效应对注入井附近溶质径向弥散过程的影响

径向弥散是指溶质在径向流场下的迁移规律,被广泛用于描述含水层修复领域中污染物的迁移过程.然而,在现有描述径向弥散的模型中,往往忽略了井内混合效应对溶质径向弥散的影响.建立新的注入井附近溶质径向运移动力学模型,同时考虑井内混合效应与弥散度的尺度效应.采用Laplace变换推导该模型的半解析解,利用Stehfest数值逆变换获取溶质在实数空间的解.通过与不考虑混合效应的模型对比研究混合效应对溶质径向弥散的影响,并利用室内渗流槽中的溶质径向弥散实验数据验证模型的合理性与适用性.结果表明:混合效应和尺度效应对注水井附近溶质径向弥散有显著影响.具体地讲,井内的混合效应越显著,在井壁处及含水层中的穿透曲线越低,溶质浓度达到峰值所需时间越长,与不考虑混合效应模型的差异越明显;随尺度效应的增强,溶质提前穿透且扩散范围变大,溶质浓度达到峰值所需时间越长;与前人的模型相比,本研究模型能更好地模拟注水井附近的溶质径向弥散问题.      

Can metamorphic reactions proceed faster than bulk strain?

Available constraints on metamorphic reaction rates derived from the study of natural systems are similar to, or slightly lower than, the bulk strain rates measured in the same rocks. Here, we explore whether this apparent relationship is merely coincidence or due to a more fundamental mechanistic link between reaction and strain. Grain boundary migration accommodated dislocation creep (GBMDC) or grain boundary diffusion creep (GBDC) (i.e. pressure solution), both of which involve dissolution-precipitation as we define it, will occur simultaneously with mineral reactions involving dissolution-precipitation in the presence of a non-zero deviatoric stress. The exact relationships between reaction and strain are different depending on whether GBMDC or GBDC is controlling strain, but the mechanistic link exists in both cases. We present theoretical arguments which show that bulk strain by GBMDC or GBDC, which may additionally be accommodated by processes not involving dissolution-precipitation, such as dislocation glide and climb or grain boundary sliding, should in most cases be somewhat faster than the bulk reaction rates as observed. With few exceptions, for natural metamorphic systems undergoing plastic deformation, strain rates provide an upper limit for bulk reaction rates occurring simultaneously in the same rocks. The data suggest that mineral reaction rates may typically be within one order of magnitude of the strain rate.Editorial responsibility: T.L. Grove     

土壤水分与溶质运移机制的分形理论研究进展

土壤中水分和溶质运移一直是土壤-水环境系统中的研究热点,也是目前仍未得到很好解决的问题.将分形理论应用于土壤水分溶质运移机制的研究,探讨其领域中的众多复杂问题,是一种全新的思路和方法.在对土壤结构定量化的分形表征进行简要阐述的基础上,重点介绍了分形理论在水分特征曲线和水力传导度等土壤水分运动基本参数的分形模型、土壤水分运移过程模拟、土壤溶质运移的非费克现象、弥散度的尺度效应以及溶质运移机制研究方面所取得的一系列成果,并就分形理论今后在土壤水分、溶质运移研究中的应用作了展望.     

宏观各向异性多孔介质中流体变形及溶质运移

为深入探究含水层中多孔介质的不规则形态和分布对于地下水流场及溶质运移的作用,根据沉积环境中已被发现的倾斜交叉分层地质单元结构,人为构造多孔介质双层交叉鱼骨结构,使其形成宏观各向异性水力传导特征,通过数值模拟研究该结构及其空间位置对于流场和溶质运移的影响。研究发现:宏观各向异性多孔介质引发了螺旋状流动,导致流线的拉伸和折叠,使得溶质羽发生不规则变形,显著提升了非反应性溶质的稀释程度;宏观各向异性结构和溶质羽在三维空间中的垂向相对位置对于溶质运移具有显著影响。     

溶质入渗土工合成衬垫的化学-渗透特性研究

溶质在土工合成衬垫（GCL）长期入渗过程中具有明显的化学-渗透特性。室内渗透试验表明：阳离子之间的置换效应对GCL衬垫渗透系数影响较大,10 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至2.5×10-11 m/s,而30 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至5.6×10-11 m/s。渗透液体浓度的增加缩短了溶质穿透GCL的时间,且预饱和处理试剂对GCL渗透系数的变化影响较大,采用蒸馏水作为预饱和试剂处理GCL衬垫对其渗透系数的影响明显小于CaCl2溶液;建立了考虑膜效应和离子交换效应条件下溶质运移耦合动力学模型,并对GCL穿透试验过程中溶质浓度的变化进行了预测,仿真计算结果表明,10 mM和30 mM两种CaCl2溶液渗透条件下,Ca2+浓度变化的试验结果和计算结果均相吻合,验证了耦合动力学模型的可靠性;从Ca2+浓度及流量穿透曲线分布可知,化学-渗透效应可有效地延缓溶质的迁移速度。随着溶质浓度的降低,阻滞作用更显著。因此,在分析GCL衬垫中溶质入渗特征时,必须考虑化学-渗透效应的影响。     

波浪作用下考虑海床变形影响的溶质运移数值模拟

波浪会促进海水中溶质向海底沉积物运移,但已有研究大多未考虑海床（海底沉积物）变形效应的影响。为揭示波浪作用下海床土变形对溶质运移过程的影响机制,构建了考虑海床土变形影响的溶质运移计算模型,对波浪作用下溶质向砂质海底沉积物中的运移过程进行模拟。结果表明:海床土变形会增大孔隙水流速,进而增大溶质纵向水动力弥散系数,增强溶质运移的机械弥散作用,促进溶质向沉积物中运移;考虑海床变形时的溶质最大纵向水动力弥散系数可达不考虑海床变形时的8.5倍,约为分子扩散系数的545倍;海床土剪切模量越小,土体变形效应越明显,对溶质运移过程的影响越大;海床土饱和度的降低,会进一步加速波浪作用下溶质向海底沉积物的运移过程。