颗粒形状对多孔介质中水流运动及其渗透特性影响研究

The shape of grains in porous media is one of the main factors for the contact mode and pore characteristics among grains. Taking crushed stone gains as the main object, the proposal studies the measurement of 3D granular appearances, the evaluation index for individual grains, and the comprehensive evaluation index for the granular aggregate. Porous media composed of regular shape and crushed stones in a narrow range of size will be compared with that composed of spherical grains by CT and density tests. The influences of grain shape will be analyzed on pore characteristics, such as shape, structure and size of pores. On the basis of theoretical analyses and seepage tests, the effects of grain shape on laminar water flow in porous media and on the permeability of it will be revealed. Permeability model for porous media will be established with regard of grain shape. The research results will broaden hydro-dynamics of porous media, further understanding the hydraulic properties of soil material, and provide microscopic study methods for pore characteristics and water movement in porous media. Therefore, this study will lay foundation for the research on the effects of grain shape on soil piping and filtering, and would give instructions for the selection of fill material. So it is theoretical, innovative, practical, and has open prospect of application.

多孔介质中颗粒形状会影响相互之间的接触方式和孔隙特征，进而影响到介质中的水流运动规律及其渗透特性。本项目以碎石颗粒为主要对象，研究建立颗粒三维形状评价指标及测量方法，以及颗粒群颗粒形状综合评价指标；以球形颗粒多孔介质为参照，通过CT技术和密度试验，开展规则形状颗粒和窄级配碎石土等多孔介质的对比研究，识别不同颗粒形状多孔介质的孔隙特征，对比分析颗粒形状对孔隙形态、结构和孔隙尺寸的影响规律；开展理论分析和渗流试验研究，揭示颗粒形状对层流条件下多孔介质中水流运动和渗透特性的影响程度与影响规律，建立考虑颗粒形状的多孔介质渗透性模型。项目成果将丰富多孔介质渗流理论，加深对岩土材料渗透特性的认识，并形成一套多孔介质孔隙特征和水流运动的微细观研究方法，为颗粒形状对土体渗透变形特性和反滤特性的研究打下基础, 为填筑材料的选用提供新的理论指导。项目研究既具有理论意义和创新性，也具有现实意义和应用前景。

颗粒形状是影响多孔介质孔隙特征和渗透特性的重要因素。本项目以水布垭大坝采用的灰岩碎石颗粒为主要对象，选取2～5mm、5～10mm、10～15mm三个粒径组颗粒建立三组样本，研究提出了通过多角度测量颗粒几何参数，获取颗粒形状三维信息的方法；利用多角度测量的几何参数，对比研究了5种常用的颗粒形状参数敏感性和分布特征，揭示了颗粒形状参数服从偏态分布，随着颗粒粒径的增大，颗粒形状更加不规则等规律；基于颗粒形状识别的敏感性，分析认为长宽比、扁平度和球形度可以优先作为颗粒形状的评定参数；对灰岩碎石料，以及相同级配的玻璃球、正八面体塑料颗粒级配料进行CT扫描，基于CT扫描图像，定性和定量分析了多孔介质的孔隙特征，以及颗粒级配和颗粒形状的影响规律，提出了串珠状连续体孔隙的典型模型，“珠”对应于多个颗粒围成的开度较大的孔段，是饱和水流运动的重要通道；相邻“珠”之间起串联作用的是相邻两颗粒构成的缩颈孔段，形成饱和水流运动途径上的较大阻力；对灰岩碎石、玻璃球、正八面体级配料开展了渗透性对比试验研究，结果表明，碎石料不同级配试样的渗透系数除了与孔隙率和颗粒等效粒径密切相关外，还与与颗粒球形度之间具有明显的线性关系，球形度越大，渗透系数越大。本项目的研究进一步揭示了多孔介质的孔隙特性和渗透特性，提供了一套新的研究方法，为颗粒形状对土体渗透变形特性和多孔介质反滤作用的研究打下基础，为水工建筑物填筑料、滤层的选用，以及工业与环境领域多孔介质材料的研发提供新的理论指导。