流动性系数 (mobility coefficient)

文摘   科技   2024-11-10 10:10   内蒙古  
1. 引言
为了与渗透系数(permeability coefficient)区别,mobility coefficient可以翻译为'迁移系数'或'流动性系数',根据《计算岩土力学》数据集,这个术语仅在Itasca软件和Cosmol软件中使用,对于Itasca软件,我们也可以称之为FLAC3D渗透系数或3DEC渗透系数。本文使用了'性系数'这一称呼。
流动性系数是描述流体通过裂隙或多孔材料流动的关键参数,量化了流体在地质材料中流动的难易程度。它作为渗透性(渗透率)的度量,通常反映了材料的性质如何影响流体的运动。流动性系数通常与渗透性一起用于流体流动分析,它表示多孔介质的有效渗透性,考虑了流体密度和动态粘度等因素

2. 与渗透性的关系
流动性系数k是与多孔材料的渗透性相关的量,是介质中流体流动响应性的度量,可以通过达西定律(Darcy's law)与渗透性定量关联,达西定律描述了流体通过多孔材料的流动行为,通常表示为以下方程:
其中,
k_h 是水力传导率 (单位: 米/秒),
rho_f 是流体密度 (单位: 千克/立方米),
g是重力加速度 (单位: 米/秒²)
内在渗透率 κ与流动系数的关系为

其中μ代表流体的动态粘度。

流动性系数通常以国际单位制 (SI) 单位m²/(Pa⋅s) 表示这个单位反映了其数学定义,结合了力学性质(如压力)和流体性质(如粘度)。准确地定义流动性系数对于理解和预测地下环境中的流体流动至关重要,这个系数的变化可能极大地影响水文地质模型,进而影响地下水流动、资源开采和污染物迁移等领域。

3. 水力传导系数
水力传导系数(hydraulic conductivity)表示流体通过孔隙骨架的难易程度【尾矿坝材料的静三轴试验结果(Static Triaxial Test)】。水力传导系数越大,岩土的透水性越强。影响渗透系数大小的因素很多,主要取决于岩土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等,大多数岩土数值模拟软件使用的是这个参数,例如Plaxis,Rocscience和Geostudio等,水力传导系数的单位为m/s或cm/s。尽管文献中也总结过经验值,但这些经验值只能作为一种定性参考,例如:

(1) 砂质尾粉土: 1x10-3 ~ 1x10-5 cm/s

(2) 粉质尾粉土: 1x10-5 ~ 1x10-7 cm/s 

(3) 塑性尾粉土: 1x10-7 ~ 1x10-9 cm/s

但对于一个特定项目来说,使用这些经验值必须非常小心。
值得指出的是,在最新的FLAC版本中,开始弃用渗流系数permeability-xx和permeability-yy,统一为mobility-coefficient和hydraulic-conductivity。
zone fluid property mobility-coefficient 1e-8 porosity 0.3zone fluid property hydraulic-conductivity 1e-6 porosity 0.3
4. 动态粘度

动态粘度μ(Dynamic Viscosity)是流体的一种属性,描述了流体中剪切速率和剪切应力之间的关系。直观地说,水和空气的粘度较低,而稠的物质(如油和蜜)的粘度较高。动态粘度又称绝对粘度,用于测量流体在受力时的内部流动阻力,它是在流体中保持单位距离的情况下,一个水平面相对于另一个平面以单位速度移动时所需的单位面积切向力。动态粘度的单位是帕秒(Pa*s)。许多与岩土工程相关的软件显式地使用了动态粘度值,例如Adina, Anura3D, Cosmol, Diana, Flow3D, Irazu, Plaxis, SoFiSTik以及Itasca软件。


水的动态粘度随着温度而变化,在20°C时,水的动态粘度大约为0.0010016 (Pa*s)。不过对于岩石工程来说,地下水的动态粘度值在特定项目中的值基本上是常量,在现场只需测一下水的温度,即可估算出动态粘度的值,根据这个值可以计算出渗透系数,例如20°的地下水,动态粘度μ=1e-3Pa.s,根据平行板理论:

permeability-factor (jperm) = 1/12μ = 83.3/Pa.s

在FLAC3D和3DEC中,使用下面的命令设置动态粘度

block (zone) fluid property viscosity

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