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.     

孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响

针对桂林地区的粉质黏土,运用液、塑限联合测定法探讨了不同孔隙溶液作用下土体的界限含水率,并利用扫描电镜（SEM）技术从微观层面分析了水化学环境变异下土体的水化学-力学耦合作用对结构特性造成的影响。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度的增大,粉质黏土的界限含水率均减小,且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显,随着阳离子价位的增高,其下降的幅度更大;该现象的产生主要是由于离子浓度及离子价位的增大,使得扩散双电层的厚度减小,而双电层对于土体界限含水率存在直接的控制作用。除此以外,通过探测土体的微观结构发现,水化学-力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝作用,致使土粒形成粒团,土颗粒间孔隙增大,架空孔隙变多。     

Eu(Ⅲ)溶液对膨润土-砂混合物渗透性能影响研究

在高放废物处置库长期运营过程中包封容器将发生破坏,核素会向外界迁移,缓冲回填材料的水力传导系数是评价处置库工程屏障性能的重要指标。采用柔性壁渗透仪,研究2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液作为渗入液时膨润土-砂混合物的渗透特性。结果表明,膨润土-砂混合物的水力传导系数K=(2.07⁵.23)×10-10 cm/s;在05.23)×10-10 cm/s;在0⁵0%掺砂率范围内,膨润土-砂混合物吸水膨胀过程中渗透性能随掺砂率增大时没有明显的变化,能够满足高放废物处置库缓冲回填材料低渗透性的要求。使用有效黏土密度的概念,得到膨润土-砂混合物的体积膨胀率随初始有效黏土密度的增大呈指数增大的趋势;混合物水力传导系数的对数值与有效黏土密度存在良好的线性衰减关系;与蒸馏水相比,渗入液(ECDD)为2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液时,膨润土-砂混合物的水力传导系数较小,可能是由于渗入液黏滞性的影响。     

包气带弱渗透性黏土透镜体对降雨入渗补给影响的数值模拟

大气降雨是华北平原浅层地下水的主要补给来源。长期过量开采地下水造成地下水位持续下降,使原来处于饱水带的透镜体位移到包气带中,形成了厚度大、非均质性更为复杂的包气带。厚层包气带中弱渗透性黏土透镜体对于降雨入渗补给的影响是关系到降水入渗过程及补给量评价的基本问题。用HYDRUS软件建立数值模拟模型,模拟探讨单次降雨条件下,透镜体埋深、宽度比、厚度等要素对入渗路径、入渗补给时间和入渗补给量的影响。结果表明:入渗过程中弱渗透性黏土透镜体两侧会形成较快的绕流;透镜体会减小补给峰值并延长总体补给时间,但不改变补给起始时间;透镜体埋深与极限蒸发深度的相对关系决定了潜在补给量的大小,透镜体埋深或因透镜体形成的上层滞水处于极限蒸发深度以上会减少潜在补给量。     

黏土矿物组构对水化作用影响评价

泥页岩水化过程中黏土矿物起着主要的作用,但目前还缺少相关的定量描述研究。为此,利用SEM、X-粉晶衍射技术,对采自不同地区的泥岩和板岩在干燥状态、不同浸泡时间后的微观结构和含量进行分析及研究,分析黏土矿物的组构随浸泡时间的变化过程,并定量地分析其对水化过程的影响规律,研究泥页岩的软化过程。研究认为,（1）泥页岩、板岩中影响水化过程的内在因素是蒙脱石、高岭石、绿泥石和伊利石等黏土矿物的含量;（2）黏土矿物定向排列时水化作用效果较无序排列时的明显;（3）泥页岩的水化作用是一个渐进的过程,即在水化过程中流体介质首先使表面的黏土矿物软化,产生掉块;随着时间延长,流体沿裂缝、层理面向岩石内部渗透,黏土土矿物发生膨胀;无围岩限制作用时坍塌掉块持续发生;（4）泥浆中加入一定的无机盐有助于抑制水化过程的发生;压力增加将抑制水化过程的产生;温度升高则能促进泥页岩的水化过程。     

湿干循环作用对压实黏土干裂特性的影响

开展了湿干循环作用下压实黏土的开裂试验和微观结构特性研究,分析了湿干循环作用对黏土开裂和孔隙结构的影响,将压汞试验(MIP)和扫描电镜(SEM)的结果与宏观开裂进行比较。结果表明:湿干循环作用显著影响了压实黏土的开裂,用开裂因子表征黏土的开裂程度,开裂因子随含水率减小而增大并明显大于湿干循环作用前; 随湿干循环次数的增加,黏土孔隙的总体积、中间孔径、平均孔径、平均孔隙率和团粒内孔隙均在增加,而黏土的颗粒内孔隙、颗粒间孔隙和团粒间孔隙却在减小。湿干循环作用使黏土体从大团粒逐渐转化为小颗粒,并增大了土颗粒的凸凹性,分析SEM二值化图像得知土体孔隙率均在增加; 用压汞法和扫描电镜法分析和解释土体开裂是可行的,所得的微观孔隙特征与宏观开裂规律基本相符。     

大颗粒黏土矿物对黏土矿物X射线衍射定量分析的影响

现行X射线衍射分析黏土矿物都是提取粒径小于2μm的悬浮溶液检测样品的黏土矿物组合及含量,含量数据有时与其他检测数据相悖。在鄂尔多斯盆地黏土矿物研究中,通过偏光显微镜和扫描电镜发现存在粒径大于2μm的黏土矿物颗粒,特别是高岭石的粒径多为3～10μm,这些大颗粒黏土矿物会造成含量数据不准确。为了证明大颗粒黏土矿物对其含量测量的影响,本文设计了不同粒径标准的提取物对比试验:随机选取267个样品,每个样品分别按照10μm和2μm标准提取两份悬浮溶液制成测试片,采用SY/T5163—2010行业标准中的检测方法得到10μm和2μm提取物的黏土矿物组合及含量。通过对比发现大颗粒黏土矿物对各类黏土矿物的相对含量测量结果有明显影响:10μm提取物中高岭石含量明显增大;伊利石/蒙脱石间层矿物含量显著降低;伊利石含量的变化小且无规律;绿泥石含量整体变化较小,少量样品中绿泥石含量发生了明显的偏离,与大颗粒高岭石的赋存有关。本研究提出应结合地质状况和工作目的审慎选择提取粒径的标准,对SY/T 5163—2010中的黏土矿物提取粒径标准作出修订。     

含CaCl2水基聚合物钻井液沿井周地层渗透规律研究

利用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术来提高油气井固井二界面胶结质量近年来受到了越来越多的重视。当前,针对3 000 m以浅油气井已实现了含成矿微生物的固井水泥浆技术。为了使固井水泥浆滤液中的成矿微生物在二界面处高效发挥MICP作用以提高二界面胶结质量,还需在钻井过程中利用钻井液携带CaCl_2的渗透向井周地层中预先注入一定量的钙源。因此,有必要研究含CaCl_2钻井液在井周地层的渗透规律,从而合理控制CaCl_2的注入量和钻井成本。基于此,以当前常用的环保水基聚合物钻井液为基本载体,综合考虑钻井液渗透时在井壁处泥饼动态形成机理、井周地层物性参数变化规律以及含CaCl_2水基聚合物钻井液流变性等因素,利用理论计算与模拟实验相结合的方法,建立了含CaCl_2水基聚合物钻井液滤液沿井周地层渗透量及渗透距离的定量预测模型。该预测模型的计算结果与模拟实验测试结果吻合程度较高,证实该预测模型具有较好的可靠性,有助于为钻井生产企业合理优化钻井液和固井水泥浆施工工艺提供理论支持。     

Cu2+污染红黏土土性异变现象分析

研究Cu2+污染物对桂林红黏土土性异变的影响。通过开展XRD、XRF及压汞试验,探讨Cu2+污染红黏土中主要矿物成分的异变规律及微观孔隙结构的变化趋势,结果表明:红黏土中主要矿物成分为高岭石、石英和针铁矿,Cu2+污染对这3种主要矿物成分的含量产生显著影响,随着Cu2+浓度的增大,高岭石和针铁矿的含量逐渐减少,石英的含量逐渐增多,其含量变化率大小关系为:高岭石>针铁矿>石英,且在浓度为2%时,高岭石的损失率高达10.69%,针铁矿的损失率达到5.38%;红黏土孔隙分布曲线为双峰分布,双峰分别分布在0.01-0.1 μm和1~10 μm之间,且在0.01~0.1 μm之间的微小孔隙占了绝对优势。随着Cu2+浓度的增加,"双峰"逐渐右移,孔隙变大;"峰宽"逐渐变宽,孔隙变多。通过开展相关力学试验,观察Cu2+污染红黏土的变形强度特性异变规律,试验结果表明:Cu2+污染对红黏土的变形强度特性影响显著。随着Cu2+浓度的增加,土体的无侧限抗压强度、抗剪强度、黏聚力C和内摩擦角φ逐渐减小,初始孔隙比e₀和压缩系数α逐渐增大;当Cu2+浓度从0增大至2%时,土体应力-应变关系曲线由典型的应变软化型转变为弱应变硬化型,无侧限抗压峰值强度减少了76.91%,抗剪强度平均损失率达到69.36%。     

水泥-膨润土泥浆配比对防渗墙渗透性能的影响

作为一种垂直防渗墙体材料,水泥-膨润土泥浆已在欧美等一些国家被广泛应用于垃圾填埋场的垂直防渗系统中,而国内对此类墙体材料的研究和应用较少。通过对不同配合比的水泥-膨润土泥浆固结体进行渗透试验,研究了原材料对泥浆固结体渗透性能的影响以及渗透性随龄期变化的情况。试验结果表明,水泥和膨润土对固结体渗透系数的影响相互依赖,只有在水泥用量达到一定程度后,增加膨润土用量才能有效地降低固结体的渗透性能;随着龄期的增加,水泥-膨润土泥浆固结体的渗透系数明显降低。     

改性土-膨润土竖向隔离墙材料的压缩及渗透特性试验研究

膨润土系竖向隔离墙作为阻滞污染物的工程屏障有效且经济。采用沸石改性传统的土-膨润土竖向隔离墙存在抗腐蚀性弱等耐久性不足的同时,必须考虑其压缩、渗透等工程性质的变化。通过一维压缩固结试验,研究了不同沸石及膨润土掺量下膨润土系隔离墙材料的压缩固结和渗透特性。引入评价天然重塑黏土的压缩、渗透特性的归一化孔隙比e/eL和评价天然重塑黏土固有压缩特性的孔隙指数Iv两种归一化评价体系,进一步探讨了添加沸石改性前后膨润土系竖向隔离墙混合土的压缩和渗透特性。     

Analytical solution for transient groundwater flow during slug test in vertical cutoff walls

An analysis method for transient groundwater flow during slug tests performed in vertical cutoff walls is presented. The analytical solution for evaluating hydraulic conductivity of vertical cutoff walls is derived by applying the method of images to the previously developed analytical solution that is exclusively applicable to an infinite aquifer. Two distinct boundary conditions are considered to account for the configuration of the vertical cutoff wall: the wall‐soil formation interfaces with or without the existence of filter cakes, that is, constant‐head boundary and no‐flux boundary conditions. A series of type curves is constructed from the analytical solution and compared with those of a partially penetrated well within an aquifer. The constant‐head boundary condition provides faster hydraulic head recovery than the aquifer case. On the other hand, the no‐flux boundary condition leads to a delayed hydraulic head recovery. The greater the shape factor and well offset from the center of the cutoff wall, and the smaller the width of the cutoff wall, the greater the effect of the boundary condition observed in the type curves. This result shows the significance of considering proper boundary conditions at the vertical cutoff wall in analyzing slug tests. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

土-膨润土隔离墙应力状态与固结行为的现场试验研究

土-膨润土竖向隔离墙被广泛应用于污染场地治理,其服役性能受应力状态和固结变形影响较大。通过建造两段不同尺寸的土-膨润土隔离墙试验段,并利用土压力盒、孔压计、测斜管等分别对墙体现场应力状态和变形进行了为期15个月的监测,获得了土-膨润土隔离墙固结行为的基本特征。监测结果表明：墙体主固结阶段需要数月;墙体固结变形以侧向变形为主;大部分深度内总应力在前1个月显著减小,并在随后基本保持稳定,有效应力随超孔压消散而不断增加;水平应变与最大水平有效应力均与墙深呈显著正相关;然而在主固结期间,墙体底部总应力和孔压均一直减小直至等于静水压力,有效应力始终很小。根据实测墙体变形及应力分布的特点,指出在相邻土体中可能形成滑动楔形体,对填料产生整体挤压,从而对隔离墙的现场固结行为特征作出了合理解释。最后,针对土-膨润土隔离墙的设计施工提出了相关建议。     

An efficient transient‐state algorithm for evaluation of leakage through defective cutoff walls

Artificial barriers are widely used to prevent leakages. However, due to construction errors during the wall installation, passages with small dimensions may occasionally penetrate through the barrier, undermining its tightness. A three‐dimensional discretized algorithm (TDA) is proposed for quantitatively estimating the transient‐state discharge rate through defective cutoff walls. By discretizing the wall into a three‐dimensional refined mesh grid, the algorithm enables an examination of penetrating passages, an evaluation of defect dimensions, and an estimation of discharge rate through the penetrating passages. A rigorous realization‐by‐realization comparison between the TDA and the finite element method (FEM) was made, and it was found that the TDA results show strong correlations with the FEM results, but at a remarkably lower (1/10³‐1/10⁴) computational cost. The TDA generally gives a discharge rate that is 0.1‐1.0 times greater than its FEM counterpart, as the lengthened seepage distance due to random corrugations in the penetrating untreated zone cannot be replicated by the TDA.     

超临界CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究

为解决我国高瓦斯煤层渗透性差导致瓦斯抽采率低的难题,利用超临界二氧化碳强扩散和溶解增透等独特优点,采用自制三轴渗透实验装置,开展不同温度下超临界二氧化碳作用后煤的宏观增透实验,在宏观增透实验基础上进行煤微观扫描成像实验。结果表明：恒定体积应力和孔隙压力条件下,不同温度超临界二氧化碳作用后,煤的渗透率较增透前提高一个数量级,但在二氧化碳的超临界温度范围内,煤的渗透率随温度增加呈负指数变化规律。超临界二氧化碳作用后,煤微观孔隙率较增透前提高两个数量级,随着温度增加,煤微观孔裂隙的演化速率减慢,孔隙率随温度增加呈负指数变化规律。宏微观实验数据同时表明,煤宏观渗透率随微观孔隙率增加而增大。超临界二氧化碳增透过程中,孔隙压力对低渗透煤层的增透效果起主控作用。     

枞阳长江干堤防渗墙截渗效果分析

综合分析了连续三年(特别是2002年汛期高水头作用期间)的安全监测成果,对枞阳长江干堤一标段水泥土防渗墙渗控效果作出了评价,揭示了长江水位与堤基渗透的变化规律。观测资料显示,汛期防渗墙前、墙后最大水位差为2.63 m,洪峰期间,部分监测断面防渗墙前堤基水位与江水位变化相关性较大,所有监测断面防渗墙后地下水位与江水位变化相关性较差,充分显示了水泥土防渗墙截渗效果。     

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。     

不同粒径级砂土渗透特性试验研究

渗透性是砂土的重要工程性质之一,影响砂土渗透性的因素有很多,比如土体密实程度、土颗粒自身特性、流体性质等,其中孔隙率与颗粒粒径是两个重要影响因素。而以往基于混合粒径的天然砂土的研究很难分别对这两个因素进行独立的研究。基于此,首先开展了单一粒径级砂土的常水头渗透试验,分别研究了同一粒径级砂土渗透系数随孔隙率的变化和同一孔隙率下不同粒径级砂土渗透系数随均值粒径的变化规律。试验结果显示,渗透系数随着孔隙率的增加而线性增加、随均值粒径二次方的增加而线性增加,其中均值粒径的影响较大,其变化能导致渗透系数量级上的差异。在此基础上,开展了多粒径混合砂土的渗透试验,讨论了曲率系数、不均匀系数等级配参数对渗透性的影响,从而将单一粒径级的研究成果推广到天然砂土,最终拟合出渗透系数与相关影响因素的经验公式,以便工程实践参考使用。