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交叉裂隙水流及溶质运移机理实验研究

陈士军  
【摘要】:随着人类社会的发展,各种地下工程(包括水利工程、采矿工程以及核废料的地质处置工程等)不断增多、规模不断扩大,世界各国对基岩地下水研究需求也越来越大。由于基岩裂隙网络系统具有强烈的空间变异性,所以其中的地下水流动和溶质运移十分复杂,如何模拟这种系统中的地下水流动和溶质运移一直是一个很重要的问题。本文结合国家自然科学基金和霍英东教育基金项目研究,总结了单裂隙和交叉裂隙中水流和溶质运移的研究现状,分析了现阶段交叉裂隙中水流和溶质运移的研究动态,设计并制作了一套适合交叉裂隙水流和溶质运移研究的光滑有机玻璃平行板交叉裂隙实验装置,研究了交叉裂隙中水流和溶质运移规律,研究了穿透曲线随流速及隙宽的变化而变化的规律,取得主要结论如下: (1)光滑平行板交叉裂隙实验条件下(隙宽b:2mm~8mm,流速v:0.9563cm/s~6.6575cm/s、雷诺数Re:8.2963~210.1923),水流通过交叉裂隙后,平均流速与水力梯度的关系被研究,水流服从传统的Darcy定律;雷诺数研究结果以及染色示踪剂实验结果均表明水流通过交叉点后仍为层流;传统的立方和定律被检验,用立方和定律描述过交叉点的局部裂隙水流时遇到了困难。 (2)改进了交叉裂隙处水流分配的表达方法,即利用过交叉点处分支裂隙内示踪剂浓度差值来反映对应分支裂隙内流量的差值,分析表明,该方法较改进前的方法简捷,更适用于本实验水力条件下的裂隙交叉点水流分配特征;在此基础上得到了裂隙交叉点处水流分配随隙宽和水流速度变化的机理。 (3)由于裂隙交叉点处水流环流的影响,过交叉点的分支裂隙内溶质运移出现非费克(non—Fickian)运移特征,此时,用传统的对流—弥散方程描述交叉裂隙时遇到了困难;绘制了Darcy流条件下溶质non—Fickian运移的穿透曲线。


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