1绪论
1.1研究背景
岩土介质广泛存在于自然界，与其相关的流体渗流以及物质输运现象，同样具有普遍意义。简单的说，流体在土壤和岩石中的流动，以及各种无机或有机化学物质在岩土介质中的传输，都属于渗流和输运的范畴。渗流的现实意义重大。从源头出发，它是一个降雨入渗，增加土壤含水量的过程。这一物理过程，是宝贵的地下水资源得以存储，草木得以蓬勃生长的关键因素，是地球生命的源泉之一。同时，渗流也不乏消极的一面。水利工程中的渠道如果没有积极的防渗措施，就会发生渠道渗漏，损失了大量宝贵的水资源，也引起了土壤的盐械化。渗透变形引起的水利工程的破坏又是另外一个严重的问题。据美国的调査统计，在美国破坏的206座土石项中有39%是由于渗透引起的。著名的Teton坝，1976年由于渗透破坏而引发垮坝，总损失达2.5亿美元⑴。我国青海的沟后混凝土面板鄉石坝于1993年8月同样因为渗透而引发溃现，造成3000多人死亡提防工程中的主要险情，如管涌、散浸、脱坡，崩岸等都是与渗透有关系。1998年长江洪水期间，提防出险5000余处，其中60%~70%是由于管涌等渗透变形引起的。地面沉降又是另外一种因为渗流所导致的环境灾害形式。它主要由于过度而无节制的开采地下水，引起地层孔隙流体压力下降，导致岩层或土层变形而造成的。
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1.2研究现状
探索岩土介质流体渗流以及物质输运的规律，是一个基础性的研究课题。从科学意义上来讲，它属于多孔介质传输动力学的研究范畴[5]。流体渗流，属于动量传输，研究的是流体通过岩土介质的过程中，流速以及压强在时间和空间上的分布规律；物质输运，属于质量传输，研究的是化学物质在众多物理机制的支配下，在岩土介质内部的传输过程中，浓度在时间和空间上的分布规律[6]。1.2.1枯性流体力学多孔介质传输动力学是流体力学问题的一个特殊分支。那么，流体渗流以及物质输运的规律，可以借助枯性流体力学的方法进行严格的理论研究。牲性流体力学的研究对象主要是水和空气，它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识[7]。
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2预备知识
作为預备知识，本章的主要内容在于简明拖要的介绍双尺度渐进展开方法的物理背景，以及数学基础。另外，针对本文研究工作所采用的有限元计算工具一COMSOLMULTIPHYSICS也作简单的介绍。本章内容旨在为后面章节的研究工作做一个基础性的铺塾作用。2.1双尺度渐进展开方法2.1.1物理背景自然界中存在的多孔介质几乎都是非均质的。举一个形象的例子，存在于岩土介质中的水，其所占据的空间并非连续，到处被顆粒所离散；反过来，颗粒亦如此。这种非均质的特性，使得在模拟多孔介质物理性状的时候，不可能做到对每一个存在的非均质单元依次进行描述，否则的话，一方面需要处理的信息过于庞大，另一方面复杂的几何边界也会给解析带来不稳定的因素。替代的方法，就是将这种微观不连续的非均质介质替换为宏观连续的均质介质。双尺度渐进展开方法，就是为了实现这种替代过程而被提出的。
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3水力梯度驱动下的流体渗流...............20
3.1引言....................................20
3.2孔隙尺度上的流体流动.................22
3.3尺度扩展............................23
3.4渗流率的多尺度计算方法................25
3.5岩土介质滲透率的多尺度计算方法.............33
3.6本章小结...............................46
4水力、浓度梯度驱动下的物质输运.............47
4.1引言.....................................47
4.2孔隙尺度上的物质输运....................49
4.3尺度扩展..................................51
4.4数值验证.................................58
4.5岩土介质有效扩散系数的多尺度计算方法.........63
4.6本章小结....................................68
5粘土-水溶液体系的电动现象
5.1引言
通过将粘性流体力学的解答与Darcy定律的数学表达形式相结合，可以推演得到表征多孔介质渗透特性的物理指标-渗透系数或者渗透率。事实上，被学术界所熟知的，并且广为推崇的Kozeny-Carman理论[91]，正是通过这种结合，来表征多孔介质渗透特性的。渗透系数VS渗透率，难道会有所不同吗？渗透系数，量纲为[IX1]，即长度与时间的比值，可以从渗透试验中直接测得，工程界往往倾向接受渗透系数的表征；渗透率，量纲[L2],即长度的二次平方，仅与长度相关，与时间无关，可以从渗透系数中推得，地球物理界更偏爱这种表征。事实上，从科学的一般性出发，后者，即渗透率，在表征材料渗透特性的时候，显得更为本质?这是因为：渗透率仅是材料本身的函数，与流经的流体无关，是反映材料颗粒大小，孔隙大小，以及孔隙组构的综合物理指标。那么，从这个意义上来看，不难构想出一个有趣的现象：对于同一种多孔材料，保持某一个既定的压缩状态，即保证孔隙几何结构以及组构恒定不变的前提下，允许不同的流体通过，那么所测得的渗透率真的会一致吗？
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6结论
本文的主要结论以岩土介质为研究对象，借助双尺度渐进展开方法，针对水力梯度驱动下的流体渗流，水力、浓度梯度驱动下的物质输运，以及粘土-水溶液体系的电动现象，展开了从孔隙到达西的尺度扩展的理论和计算工作。本文的得到如下。针对水力梯度驱动下的流体渗流1.基于双尺度渐进展开方法，给出了渗透率的多尺度计算方法，并数值验证了计算方法的可靠性。2.数值考察了渗透率的影响因素。结果表明，组构对于各向同性渗透率的影响并不显著，而颗粒大小以及孔隙比的影响却是显著的正相关。3.借助一个持有特征半径以及相关孔隙比定义的概念性单胞，同时结合反演优化技术，提出一个简单易于操作的岩土介质渗透率的多尺度计算方法，并将该计算方法应用于砂土以及粘土的各向同性（异性）渗透率的计算。结果表明：计算值与测试值呈现出了较好的一致性。
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参考文献（略）