[发明专利]基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法

权利要求书

1.基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立海底隧道非饱和混凝土中氯离子扩散-对流模型；

步骤1.1、基于Fick第一和第二定律，将混凝土孔隙溶液中自由氯离子的扩散通量作为扩散模型；

上式中，J_d为自由氯离子的扩散通量，单位为kg/(m²s)；为Nabla算子；C_f为孔隙溶液中自由氯离子浓度，单位为kg/m³；t为扩散时间，单位为s；D_eff为氯离子有效扩散系数，单位为m²/s；

根据Atkinson和Nickerson模型，氯离子的有效扩散系数为：

D_eff＝D_s0φβ

上式中，D_s0为饱和混凝土的氯离子扩散系数，单位符号为m²/s；φ为孔隙率；β为孔结构参数β；

孔结构参数为：

β＝φ^1/3s^10/3

上式中：s为孔隙水饱和度；

步骤1.2、将混凝土孔隙溶液中自由氯离子的对流通量J_c作为对流模型；

J_c＝-C_fu

上式中，J_c为自由氯离子的对流通量，单位为kg/(m²s)；u为混凝土孔隙中水的流速，单位为m/s；

u按下式计算：

上式中：K_s为饱和渗透系数，单位为m/s；ρ_w为水的密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；k_r为相对渗透率，0≤k_r≤1，0代表完全干燥，1代表完全饱和；θ为含水率；ψ为驱动势，ψ＝ψ_m+ψ_p，单位为Pa；其中ψ_P为渗流路径两侧压力差形成的压力势，单位为Pa；ψ_m为单位容积水分的基质势，单位为Pa；k_r(θ)表示相对渗透率的大小与含水率的关系；

单位容积水分的基质势ψ_m的计算模型为：

ψ_m＝-α(s^-1/m-1)^1-m

上式中：α，m为混凝土材料的经验参数；

步骤1.3、将总的自由氯离子通量J_cl作为非饱和混凝土中氯离子扩散-对流模型：

上式中，J_cl为总的自由氯离子通量，单位为kg/(m²s)；

步骤2、判别海底隧道保护层处的最危险点；

步骤3、进行海底隧道耐久寿命预测；取海底隧道保护层处的最危险点氯离子浓度C_f(x，t)达到临界自由氯离子浓度C_r的最短时间，作为海底隧道耐久寿命T₁；C_f(x，t)表示扩散时间t时刻距隧道外壁的距离x处的孔隙溶液中自由氯离子浓度C_f；C_f(x，t)由步骤1中的扩散-对流模型计算得到。

2.根据权利要求1所述基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法，其特征在于，步骤1.2中，当混凝土处于完全饱和状态时，混凝土孔隙中水的流速u由Darcy定律计算：

3.根据权利要求1所述基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法，其特征在于，步骤1.2中，当混凝土处于非饱和状态时，混凝土孔隙中水的流速u由Richards方程计算：

4.根据权利要求2或3所述基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、首先根据海底隧道外壁初始时刻的水头压力P₀，以及混凝土初始饱和度s，分别计算各点处的渗流路径两侧压力差形成的压力势ψ_P和单位容积水分的基质势ψ_m；t为扩散时间；

步骤2.2、将步骤2.1计算得到的ψ_P、ψ_m代入对流模型J_c＝-C_fu，采用积分有限差分法计算得到下一个时间节点的混凝土孔隙中水的流速u和混凝土孔隙水饱和度s；

步骤2.3、代入海底隧道外壁初始氯离子浓度和隧道内混凝土的初始氯离子浓度，计算得到第一个时间节点各位置处的对流通量J_c、内外氯离子浓度梯度确定的扩散通量J_d，以及总的自由氯离子通量J_cl；并将J_c、J_d和J_cl作为下一个时间节点计算的初始数据；

步骤2.4、返回执行步骤2.1至步骤2.3，获得任意时间节点任意位置处的自由氯离子浓度值；最后将海底隧道保护层处氯离子浓度C_f(x，t)最大的点作为整个海底隧道保护层处的最危险点；其中t为扩散时间，x为距隧道外壁的距离；C_f(x，t)表示扩散时间t时刻距隧道外壁的距离x处的孔隙溶液中自由氯离子浓度C_f；C_f(x，t)由步骤1中的扩散-对流模型计算得到。