(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111462206.2 (22)申请日 2021.12.02 (71)申请人 浙大城市学院 地址 310015 浙江省杭州市拱 墅区湖州街 51号 (72)发明人 张苑竹　殷鸢　董辉宗　 (74)专利代理 机构 杭州九洲专利事务所有限公 司 33101 代理人 张羽振 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G16C 10/00(2019.01) G01M 13/00(2019.01) G01N 13/00(2006.01)G01N 33/38(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久 寿命预测方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于扩散 ‑对流模型的海底 混凝土隧道耐久寿命预测方法， 包括步骤： 建立 海底隧道非饱和混凝土中氯离子扩散 ‑对流模 型； 判别海底隧道保护层处的最危险点； 进行海 底隧道耐久寿命预测。 本发明的有益效果是： 通 过分析任意时间节点任意位置处的自由氯离子 浓度分布， 来确定隧道结构保护层位置处自由氯 离子浓度最大的危险点， 以及该点浓度达到临界 氯离子浓度的服役时长； 本发明的预测方法准确 性更高， 为海底隧道的耐久性设计提供科学的依 据， 对工程的耐久性能维护管理具有指导作用， 并且为今后的海底混凝土隧道耐久设计研究提 供了理论基础； 适用于多种工况， 包括不同环境 自由浓度的海域、 以及海底隧道的不同水头和混 凝土初始饱和度。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 113935220 A 2022.01.14 CN 113935220 A 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， Jd为自由氯离子的扩散 通量， 单位为kg/(m2s)； 为Nabla算子； Cf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； Deff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： Deff＝Ds0φβ 上式中， Ds0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 ＝φ1/3s10/3 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Jc作为对流模型； Jc＝‑Cfu 上式中， Jc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： Ks为饱和渗透系数， 单位为m/s； ρw为水的密度， 单位为kg/m3； g为重力加速度， 单位为m/s2； kr为相对渗透率， 0≤kr≤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＝ψm+ψp， 单位为P a； 其中ψP为渗流路径两侧压力差形成的压力势， 单位为P a； ψm为单 位容积水分的基质势， 单位 为Pa； kr( 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 ψm的计算模型为： ψm＝‑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Jcl作为非饱和混凝 土中氯离子扩散‑对流模型： 上式中， Jcl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Cf(x，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 113935220 A 2t)达到临界自由氯离子浓度Cr的最短时间， 作为海底隧道耐久寿命T1； Cf(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Cf； Cf(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 ψP和单位容积水 分的基质势 ψm； t为扩散 时间； 步骤2.2、 将步骤2.1计算得到的ψP、 ψm代入对流模型 Jc＝‑Cfu， 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Jc、 内外氯离子浓度 梯度确定的扩散通量Jd， 以及 总的自由氯离 子通量Jcl； 并将Jc、 Jd和Jcl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Cf(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； Cf(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Cf； Cf(x， t)由步骤1中的扩散 ‑对流模型计算 得到。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 113935220 A 3