Page 70 - 2025年第56卷第10期

M CH ( C s - C s)
Δφ = 0 （12）
ρ CH
式中：φ 为初始孔隙率，可根据文献［19］估算；Δφ 为孔隙率的增量；M 为 CH 的摩尔质量，取 7.41×
0 CH
10 kg/mol；ρ 为 CH 的密度，取 2.24×10 kg/m 。
3
3
−2
CH
溶蚀过程中，混凝土孔隙率的增大会导致基体内钙离子的扩散性增大。扩散系数是表征混凝土溶
蚀过程中钙离子扩散过程的重要参数。Garboczi 等 ［26］ 最早提出了水泥基材料的扩散系数演变模型，但
该模型主要适用于水泥水化导致的扩散系数演变。为此，Eijk 等 ［27］ 在前人的研究基础上，提出了用于
表征水泥基材料溶蚀的扩散系数演化方程：
D e = D 0( 0.0025 - 0.07φ cap( x，0 ) - 1.8H φ cap( x，0 - 0.18 )( φ cap( x，0 - 0.18 ) 2 +
(
)
)
2
(
)
)
2
0.14φ cap( x，t ) + 3.6H φ cap( x，t - 0.16 )( φ cap( x，t - 0.16 ) 2 ) （13）
)
)
式中：φ cap( x，0 为空间任意位置 x 处的初始毛细孔隙率；φ cap( x，t 为空间任意位置 x 处溶蚀 t 时刻后
( T ref)
的毛细孔隙率；H（x）为权重函数；D 为初始扩散系数，可根据下式估算 ［28］ ：
0
b
D 0 = a exp - （14）
式中：a、b 为系数（a=1.69×10 m /s，b=2087 K）；T 为绝对温度。
−6
2
ref
溶蚀过程中，混凝土孔隙率的变化必然会引起结构渗透性能的改变。Phung 等 ［29］ 通过室内试验研
究发现，Kozeny-Carman（K-C）方程能够较好地反映混凝土溶蚀过程中渗透系数的演变。为此，本文
采用 K-C 方程模拟渗透溶蚀过程中土石坝混凝土防渗墙渗透系数的演变，其方程表示如下：
( φ 0)( 1 - φ) 2
3
φ
1 - φ 0
k s = k 0 （15）
式中 k 为混凝土防渗墙的初始渗透系数。
0
3 模型开发与验证

3.1 模型开发 针对构建的渗流-溶蚀耦合模型，采用适合多场耦合计算的 COMSOL Multiphysics 软
件，联合 MATLAB 实现模型的二次开发与应用。其中，渗流场和溶蚀场采用 COMSOL 内置的地下水流
动模块和多孔介质稀物质传递模块进行模拟。MATLAB 软件用于求解和更新混凝土渗透溶蚀过程中固
相钙的非平衡分解速率，两者通过“LiveLink for MATLAB 接口”实现联合仿真计算。为避免模型计
®
TM
算收敛性差的问题，模型采用弱耦合分步迭代的计算方式，建立两个物理场之间的联系，以体现大坝
混凝土防渗墙中渗流场与溶蚀场的耦合作用。在进行模型求解计算时，采用瞬态分离式求解器，时间
步进采用向后差分方法，非线性迭代方法采用 Constant Newton 法。此外，为了保证模型的收敛性，最
大迭代次数设为 40，并采用 Anderson 加速度方法来提高稳定性和加速性，迭代的空间维度设为 100。
3.2 模型验证 为验证所提模型的合理性，基于课题组开发的水泥基材料渗透溶蚀试验系统 ［30］ ，通
过混凝土渗透溶蚀试验对所提模型进行验证。试验系统主要由空气压缩机、气压调节装置、气液隔离
装置和试件溶蚀室等部分组成，如图 1 所示。其中，空气压缩机用于提供渗透溶蚀所需的渗透压力；
气压调节装置用于控制气体输出压力的大小，进而保证向气液隔离室中施加不同压力的恒定气压；气
液隔离室内部通过橡胶膜将侵蚀溶液与压力气体隔开，一方面避免了侵蚀溶液腐蚀气压调节装置，另
一方面保证了渗透溶蚀过程中充足的溶液补给，避免因溶蚀反应导致溶液浓度下降而引起的误差。试
验采用直径 50 mm、高度 100 mm 的圆柱试件作为研究对象。试验前，除上、下两个圆形截面外，试件
四周均涂有环氧树脂。试验过程中，试件被放置于溶蚀室中，通过气液隔离装置中 6 mol/L 的 NH Cl 溶
4
液来加速溶蚀进程。试验过程中施加的渗透水压为 200 kPa，并在试验的第 7、14、21 和 28 天采用酚
酞滴定法获取试件的溶蚀深度。

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