液体对土工织物膨润土垫膨胀性和渗透性的影响

近年来土工织物膨润土垫（GCL）被越来越多地应用到各种防渗工程中,它的膨胀性和渗透性也成为了设计人员和研究人员所关注的焦点。通过水化膨胀试验、自由膨胀试验和渗透试验,研究了液体对GCL膨胀性能和渗透性能的影响以及膨胀性和渗透性之间存在的相关关系。试验结果表明, 水化液和渗透液的种类对GCL的膨胀性和渗透性有很大影响,其影响分别为：(1) 水化液相同时,渗透液的种类对GCL的渗透系数有影响,而渗透液相同时,水化液的种类对GCL的渗透系数也有影响;(2) GCL的水化膨胀量和渗透系数之间存在相关关系,水化膨胀量越大,渗透系数就越低;(3) GCL中膨润土的自由膨胀量和GCL的渗透系数之间也存在相关关系,自由膨胀量越大,GCL的渗透系数就越低。     

冻融循环对黄土渗透系数各向异性影响的试验研究

为了反映冻融循环作用对原状黄土渗透各向异性及原状、 重塑黄土渗透差异的影响, 以西安Q₃黄土为研究对象, 通过三轴固结渗透试验对比分析了冻融前后水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数随初始含水率、 围压、 冻融循环次数变化的规律。结果表明： 未冻融时各级围压下竖直向原状黄土的渗透系数为2×10^-6 ~ 18×10^-6 cm?s^-1, 水平向原状黄土和重塑黄土的渗透系数为0 ~ 4×10^-6 cm?s^-1; 经历冻融循环后, 水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数与初始含水率的关系曲线分别呈现逐渐上升、 抛物线形式与变化平缓的不同特征, 而三者的渗透系数均随冻融循环次数的增加呈现数量级增大的趋势; 原状黄土的竖直 - 水平渗透系数比（k_v /k_h ）由冻融前的4.38逐渐减小到0.90, 可见冻融循环作用在显著提高黄土渗透性能的同时, 可以强烈弱化其各向异性特征。通过建立围压、 渗透系数与土体孔隙率的相关关系可知, 原状、 重塑黄土的孔隙率与围压存在极强的负线性相关性, 渗透系数随围压的增大呈典型指数衰减特征, 渗透系数与孔隙率具有相似的变化趋势, 因此冻融循环过程中土体孔隙率的改变是导致其渗透性质变化的主要原因。     

溶液和温度作用下膨润土防水毯的渗透性能

以颗粒状和粉末状膨润土防水毯(GCLs)为对象,运用GDS (global digital systems)全自动渗透仪开展渗透试验,研究CaCl_2溶液作用下GCLs渗透性能的温度效应,初步探讨其机理。试验表明:当水化液为0.05mol/L的CaCl_2溶液时,两种GCLs渗透系数随温度升高呈现增大趋势;当水化液为去离子水时,颗粒状GCL渗透系数随温度升高而减小,粉末状GCL渗透系数随温度升高而增大。去离子水情况下,膨润土吸附结合水量随温度升高而减小;CaCl_2溶液作用下,吸附结合水量较去离子水情况大幅降低。当CaCl_2溶液浓度一定时,膨润土膨胀指数随温度升高而略有增大;当温度一定时,膨润土膨胀指数随CaCl_2溶液浓度升高而显著减小。以去离子水进行试验时:颗粒状和粉末状GCLs渗透系数随温度的变化主要影响因素为凝胶态蒙脱石数量,其次为流体黏滞系数和吸附结合水量;颗粒状GCLs膨润土孔隙结构越不均匀,凝胶态蒙脱石数量的影响就越显著,导致渗透系数随温度升高而减小、固有渗透率随温度升高显著降低。以CaCl_2溶液进行试验时,两种GCLs渗透系数随温度变化的主要受流体黏滞系数和吸附结合水量的影响,而受凝胶态蒙脱石数量的影响较小。孔隙溶液性质、温度和膨润土类型均对GCLs的防渗性能具有重要影响。     

冻融循环对兰州黄土渗透性变化的影响

在季节冻土区, 周期性的冻结与融化持续改变着土体内部结构, 土的孔隙率与渗透性也随之产生相应的变化. 针对这一现象进行了原状黄土和重塑黄土的冻融循环试验和冻融循环后的渗透试验. 结果显示: 随着冻融循环作用的进行, 原状黄土与重塑黄土干密度的变化趋势都是先增大后减小, 然后趋于稳定. 由于渗透系数与干密度呈负线性关系, 所以随着冻融循环次数的增加, 原状黄土与重塑黄土的渗透系数都是先减小后增大, 最后在4×10^-4~6×10^-4 cm·s^-1之间趋于一个稳定值. 因为重塑黄土是扰动土, 土结构中的颗粒大小较为均匀, 而原状黄土的土结构中颗粒大小不均匀, 导致重塑黄土的渗透系数始终大于原状黄土.     

长江漫滩区软土渗透系数计算方法对比分析

软土(弱透水层)是地下水系统的重要组成部分,主要由黏土、亚黏土及粉质黏土等渗透系数较小的土体组成,其渗透系数在实际工程渗流计算中具有重要意义。以长江软土地区海太过江通道工程南岸弱透水层为研究对象,采用经验公式法(室内土工颗分试验)、微水试验配线法以及数值模拟反演法,对于弱透水层的渗透系数进行计算,所得结果分别为7.196×10^-5、1.50×10^-5、8.10×10^-5cm/s;多方法相互验证,降低了单一方法影响范围小、取样存在偶然性等因素的影响。根据工程最不利原则,研究区弱透水层渗透系数建议取值为8.1×10^-5cm/s。     

海泡石改性土-膨润土泥浆阻截墙阻截地下水重金属阳离子污染

为探究海泡石的添加对土-膨润土泥浆阻截墙材料的施工和易性、渗透性,以及对地下水重金属阳离子污染阻截性的影响,采用天然海泡石对土-膨润土泥浆阻截墙改性,并以铅污染为代表,进行了坍落度实验、渗透实验和吸附实验。结果表明：添加海泡石不会对土-膨润土-海泡石阻截材料施工和易性造成太大影响,海泡石掺量从0增加至30%,满足目标坍落度要求的含水率仅增加1%;在实验掺量范围内海泡石对泥浆阻截材料渗透性能的影响较小,材料渗透系数均小于10^-7 cm/s,能够满足工程要求;材料对Pb²⁺的吸附是以化学吸附为主的吸附过程,海泡石掺量分别为0、5%、10%和20%时,泥浆阻截材料对Pb²⁺的吸附量依次为89.73、112.52、140.85、183.40 mg/g,温度降低,阻截材料吸附量也随之减少。在铅污染液的作用下,土-膨润土-海泡石阻截材料渗透系数逐渐上升,海泡石的存在能够延缓Pb²⁺对该阻截材料的侵蚀;渗出液pH和Pb²⁺质量浓度变化表明,在实验时间内阻截材料仍然起着阻截作用。     

不同有效应力下矿山渗滤液对土工合成黏土衬垫渗透特性影响的试验研究

以模拟矿山渗滤液作为渗透溶液,使用柔性壁渗透仪,在不同有效应力条件下测定土工合成黏土衬垫(geosynthetic clay liner,GCL)的渗透系数。试验结果表明:矿山渗滤液作用下GCL渗透系数升高的幅度与其所受有效应力的大小紧密相关;当有效应力为24 kPa时,矿山渗滤液的渗透使GCL的渗透系数升高至1.52810-′m/s,比控制样(自来水渗透)的渗透系数高340倍,不能满足《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制规范》对防渗层渗透系数的要求(k≤1.0910-′m/s)。而当有效应力为93、162、231和438 kPa时,矿山渗滤液的持续作用使GCL的渗透系数只分别升高了26、21、14和10倍,且全部满足规范要求。研究结果表明,在对矿山废弃物处置场中GCL的防渗性能进行评估时,必须考虑GCL试样在场地中的受力状态。     

溶质入渗土工合成衬垫的化学-渗透特性研究

溶质在土工合成衬垫（GCL）长期入渗过程中具有明显的化学-渗透特性。室内渗透试验表明：阳离子之间的置换效应对GCL衬垫渗透系数影响较大,10 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至2.5×10-11 m/s,而30 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至5.6×10-11 m/s。渗透液体浓度的增加缩短了溶质穿透GCL的时间,且预饱和处理试剂对GCL渗透系数的变化影响较大,采用蒸馏水作为预饱和试剂处理GCL衬垫对其渗透系数的影响明显小于CaCl2溶液;建立了考虑膜效应和离子交换效应条件下溶质运移耦合动力学模型,并对GCL穿透试验过程中溶质浓度的变化进行了预测,仿真计算结果表明,10 mM和30 mM两种CaCl2溶液渗透条件下,Ca2+浓度变化的试验结果和计算结果均相吻合,验证了耦合动力学模型的可靠性;从Ca2+浓度及流量穿透曲线分布可知,化学-渗透效应可有效地延缓溶质的迁移速度。随着溶质浓度的降低,阻滞作用更显著。因此,在分析GCL衬垫中溶质入渗特征时,必须考虑化学-渗透效应的影响。     

基于改进滤失试验的重金属污染膨润土渗透特性试验研究

通过改进滤失试验研究典型钠化改性钙基和天然钠基膨润土在重金属铅-镉以及铬作用下渗透系数的变化规律。研究发现,膨润土试样渗透系数在重金属铅-镉浓度小于6mmol/L时增幅较小,为2~3倍;当浓度超过10mmol/L时呈急剧增大的趋势。铬酸钾溶液作用下,钠化改性钙基膨润土的渗透系数低于未污染试样;天然钠基膨润土的渗透系数则增大2~8倍。两者差异归因于土-液相互作用下铬在不同pH-Eh环境中化学形态的不同。研究中钠化改性钙基膨润土浆液中铬以阴离子络合的六价铬形态存在,使得膨润土颗粒表面负电荷密度趋于增加,因而保持和促进膨润土的分散状态。天然钠基膨润土浆液中铬则出现以阳离子形态存在的三价铬,显著挤压膨润土颗粒双电层,导致膨润土颗粒团聚。综合国内外研究总结无机盐溶液作用下膨润土化学相容性随污染程度变化规律,发现渗透系数比与离子强度关系存在一临界值,当离子强度达到该临界值则渗透系数将呈数量级增大。     

活性炭改性土-膨润土泥浆墙阻隔苯酚污染地下水

为了增加土-膨润土泥浆墙回填材料对污染物的阻滞性能,本文采用活性炭对其进行改性。通过坍落度和土柱实验研究了添加活性炭对土-膨润土泥浆墙施工和易性、渗透性和兼容性能的影响,明确了活性炭添加量对泥浆墙渗透性和兼容性的作用规律。实验结果显示,满足泥浆墙墙体材料施工和易性要求的含水率范围随着活性炭质量分数增加而增大。活性炭质量分数为2%～10%的改性土-膨润土泥浆墙墙体材料渗透系数均小于1.0×10^-7cm/s,满足垂直阻隔墙渗透系数要求。当活性炭质量分数≤2%时,活性炭的添加对墙体材料与苯酚溶液的兼容性能没有影响;随着活性炭质量分数的增大,苯酚对其不利影响加剧。当活性炭质量分数增大至10%时,活性炭改性土-膨润土泥浆墙不适用于苯酚污染地下环境。     

无机盐溶液作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料化学相容性试验研究

土-膨润土竖向隔离屏障广泛应用于城市工业污染场地。化学溶液作用下屏障材料的化学相容性,即渗透系数及其变化程度,是评价防污性能的关键因素。通过柔性壁渗透试验研究重金属铅-锌复合、六价铬作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数的变化规律。由于无机盐溶液中铅、锌、钙对膨润土双电层的压缩,铅-锌复合、钙溶液作用下屏障材料试样渗透系数随金属浓度升高而增大。铅-锌复合作用下,金属浓度增至500mmol/L时试样渗透系数增幅达11倍,且无法满足防渗要求。相反,由于铬以阴离子络合形式存在,其对试样渗透系数影响相对小;与未污染状态测定结果相比,渗透系数增幅≤2倍。在膨润土孔隙比基础上,考虑无机盐溶液对膨润土膨胀特性的影响,建立无机盐溶液作用前后砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数统一预测方法。     

水-岩作用对储层渗透性影响的数值模拟研究——以鄂尔多斯盆地东北部上古生界砂岩储层为例

油气储层的质量及演化往往受沉积作用和成岩作用的共同制约,成岩作用是影响储层孔渗最直接的因素,水-岩反应贯穿于整个成岩作用阶段,决定了孔渗的演化过程。本次研究以鄂尔多斯盆地东北部上古生界陆源碎屑岩储层下石盒子组-山西组为对象,运用多相流反应溶质运移数值模拟的方法,定量研究水-岩化学作用对含油气盆地储层渗透性能的影响,再现水-岩反应所造成的储层矿物溶解、沉淀以及储层渗透性的变化。结果表明：在成岩作用初期,矿物溶解过程占主导地位,模型运行50 Ma时,储层孔隙度由初始的0.30增至0.36,渗透率由初始的5.00×10^-15 m²增至8.70×10^-15 m²;在油气充注阶段（气体CO₂为主）,整个成岩作用矿物的沉淀量大于矿物的溶解量,导致固相体积增加,模型运行20 Ma时,储层孔隙度由0.20降低至约0.15,渗透率由5.00×10^-13 m²下降至约2.00×10^-13 m²。     

无机盐溶液作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料化学相容性试验研究

土-膨润土竖向隔离屏障广泛应用于城市工业污染场地。化学溶液作用下屏障材料的化学相容性,即渗透系数及其变化程度,是评价防污性能的关键因素。通过柔性壁渗透试验研究重金属铅-锌复合、六价铬作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数的变化规律。由于无机盐溶液中铅、锌、钙对膨润土双电层的压缩,铅-锌复合、钙溶液作用下屏障材料试样渗透系数随金属浓度升高而增大。铅-锌复合作用下,金属浓度增至500 mmol/L时试样渗透系数增幅达11倍,且无法满足防渗要求。相反,由于铬以阴离子络合形式存在,其对试样渗透系数影响相对小;与未污染状态测定结果相比,渗透系数增幅≤2倍。在膨润土孔隙比基础上,考虑无机盐溶液对膨润土膨胀特性的影响,建立无机盐溶液作用前后砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数统一预测方法。     

膨润土防水毯渗透性能的温度效应

以颗粒状钠基膨润土防水毯为研究对象,采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪开展渗透试验,研究温度和压力对渗透系数的影响。研究表明:低围压下膨润土防水毯的渗透系数随温度的增加而减小,温度较高时趋于平缓或略有增大;围压增为100 kPa时,渗透系数随温度的增加而增大。固有渗透率随温度的增加而减小;低围压下固有渗透率减小更显著,仅考虑流体物理性质变化的渗透系数估算值与实测值有很大差异。膨润土吸附结合水量随温度的升高而减小,不能解释膨润土防水毯渗透系数和固有渗透率随温度的变化规律。当温度升高时,粒间孔隙减小且颗粒状膨润土分解成凝胶态蒙脱石颗粒,在低围压下凝胶态蒙脱石颗粒层间距离减小,是渗透系数和固有渗透率随温度的升高而减小的主要原因。     

渗流条件下含裂缝压实膨润土应力及渗透性能试验研究

压实膨润土是放射性废物处置库的理想缓冲/回填材料,但它在失水收缩过程中易产生裂缝,该裂缝在浸水条件下能否愈合是放射性废物处置安全评价中的重要课题。其研究对含纵向单裂缝的压实膨润土样品开展渗透试验,以渗透系数、隙面法向应力及含水率为指标,研究含裂缝压实膨润土吸水膨胀后应力及渗透性能的变化,从而评价裂缝对膨润土屏障层性能的影响。研究结果表明,样品渗透系数随时间逐渐递减,隙面法向应力随时间逐渐递增,且在85 d时两参数达到稳定水平,分别为4.6410~(-10)m/s和2.5 MPa,与完整压实膨润土样品的渗透系数及内部应力处于相同水平,可以认为,此时土体实现了饱和及均一化。该研究从渗透性和应力角度证实了裂缝对压实膨润土渗透系数及应力参数未产生显著影响,膨润土具有较好的自愈合能力。研究建立了膨润土裂缝自愈合效果评价方法,为膨润土作为回填材料的安全性评价提供理论依据。     

GCL防水毯中膨润土的水化膨胀应力特征研究

GCL(Geosynthetic clay liner)防水毯是广泛用于工程建筑的一种防水材料。一般认为其防水机理是由于其中的膨润土颗粒吸水膨胀后,形成胶体状隔水层,阻隔水分子进一步扩散而达到防水目的。但水化膨胀过程中产生的应力特征迄今没有深入研究。本次试验采用自制膨胀应力测定仪,对美国CETCO公司膨润土防水毯饱和吸水条件下膨胀应力进行了直接测定,结果表明:1应力测定仪工作性能稳定,测定结果重现性好。2膨润土防水毯吸水膨胀应力随时间的变化可明显分出3个阶段。1(0～50h)应力快速增加,增幅为7×10-4～1×10-3MPa/h;2(50～1730h)应力缓慢增…     

干湿-冻融循环条件下膨胀土的压缩及渗透特性变化规律

北疆供水一期工程穿越膨胀土区域,历经多次干湿-冻融循环后力学特性衰减严重,易产生渠坡局部浅层滑坡和冻胀破坏等现象。为深入研究其劣化机制,通过干湿-冻融循环条件下的压缩试验、渗透试验和SEM微观扫描试验,从宏-细-微观多角度分析其压缩和渗透指标的变化规律。研究结果表明：随干湿-冻融循环次数的增加,膨胀土整体压缩性增大,其压缩曲线可分为拟弹性段与拟塑性段;随循环次数的增加,回弹指数呈波动趋势,压缩指数与循环次数呈指数正相关,与细-微观裂隙呈线性正相关。黏土颗粒在循环作用下组成“团聚体-孔隙-填充颗粒”形式的较松散的临时结构,絮凝结构增加,各向异性减少;土样承受竖向压力时,膨胀土孔隙间距减少,压缩性较大;压力超过固结屈服应力时,团聚体颗粒扁角化、极角频率增加、孔隙压密,压缩性逐渐稳定。渗透系数在循环过程中变化分为缓慢、迅速、稳定3个阶段;渗透系数在第5次循环变化较大,第7次循环后逐渐稳定,与循环次数及表面裂隙率呈正相关趋势。渗透系数与各项微观参数的灰色关联度均大于0.65,微观孔隙率是最主要的影响因素;循环作用下微观孔隙发育明显,形成新渗流通道,渗透系数与微观孔隙率呈线性正相关。     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合影响的数值模拟

在自主研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中引入Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型,针对一个假设的实验室尺度且位于非饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置模型,拟定两种计算工况：（1）孔隙率和渗透系数是压力溶解的函数;（2）孔隙率和渗透系数均为常数,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。研究结果表明：工况1计算终了时,压力溶解使得孔隙率和渗透系数分别下降到初始值的43%～54%、4.4%～9.1%。在核废料释热温度场的作用下,工况1、2中的负孔隙水压力分别为初始值的1.00～1.25倍、1.00～1.10倍,前者表现了压力溶解的明显影响;两种工况的岩体中的应力量值及分布基本相同。     

不同砂−膨润土垂直防渗墙填筑土料的掺量研究

土?膨润土垂直防渗墙在美国已广泛应用于城市卫生填埋场中,我国的工程中则应用较少。由国产膨润土与原地层土混合在自重应力作用下固结形成的防渗墙,其渗透性、孔隙和压缩性如何受膨润土掺量的影响,针对该一问题,使用福建标准砂模拟原地层,以3种典型膨润土作为混合料,在各掺量下对砂?膨润土填筑土料开展改进柔性壁渗透试验固结试验,研究不同膨润土掺量对填筑料渗透系数k、孔隙率n与压缩系数av影响。结果表明,膨润土和砂形成防渗墙时存在一个对应最小n和av的最优掺量Copt,当膨润土掺量小于等于Copt时,随着掺量增加,填筑料k下降很快,av缓慢减小;当掺量大于Copt后,随掺量上升,k降低速度趋缓,av快速地升高。理论上,膨润土掺入较少时黏土颗粒仅填充砂粒间的孔隙而不影响砂粒堆积,掺量达到一定程度后膨润土使砂粒彼此分离,悬浮在其中,填筑料的孔隙率随掺量而增大,可能是宏观上造成最优掺量产生的主要原因。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体（分辨率3.7 μm）为研究对象，在空间节点数多达64 000 000的情况下，基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数，并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现，结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD（即10^-13m²）量级，远低于规则堆叠的圆球结构（>20 000 mD）；土壤的迂曲度为1.40~1.60，明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明，渗透率大的样品具有较小的迂曲度，这与结构的空间异质性有较强的关系；土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性；在水力梯度一定的前提下，渗透率较大的样品，纵向弥散系数也较大；同时，结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟，可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。