江汉平原过渡带黏性层状土弥散试验与模拟研究

为研究江汉平原—大别山区过渡带黏性层状土中溶质迁移的规律,以保守性阴离子Br-为示踪剂,通过等温吸附试验、一维弥散试验、HYDRUS-1D软件模拟反演手段,研究了Br-在黏性层状土中的吸附参数、迁移规律,模拟反演其弥散参数。结果表明：（1）Freundlich模型和Langmuir模型均能较好的拟合吸附试验结果,随着土壤中黏粒比例的增大,土壤对Br-的饱和吸附量有所增加;（2）层状土中土壤质地与结构均会影响穿透曲线的形状,但一维饱和土柱中的弥散过程主要取决于含水介质系统中黏性颗粒的占比,黏粒的增加会对溶质运移产生阻碍作用;（3）通过HYDRUS-1D软件构建模型反演弥散参数,R2均大于0.991,拟合效果较好,分析发现层状土中无论土壤组成类型还是层厚及排序的影响,其本质都是改变了土壤的平均孔隙流速从而影响弥散作用,平均孔隙流速越小其弥散系数越小;（4）试验中粉质黏土弥散系数约为0.005～0.048 cm2/d,远远小于下部砂土弥散系数0.524～7.477 cm2/d,差值达到了至少两个数量级,表明研究区内厚层黏土为控制地层,会较大程度阻碍地下水中溶质运移,上部含水层中的污染物或有机...     

重金属污染物在黏土固化注浆帷幕中的运移规律

基于渗透和弥散作用,探讨了黏土固化注浆帷幕对污染物的阻滞机制,通过土柱试验,分析了注浆帷幕对重金属污染物的渗透性能和弥散性能,采用污染物运移过程数值模拟的一维对流-弥散计算模型,研究了重金属污染物在注浆帷幕中的运移规律。试验表明,不同的污染物质在黏土固化注浆帷幕中的渗透性能和弥散性能不同,镉的迁移速度大于铅。数值计算表明,注浆帷幕的厚度及其渗透性、弥散性和水力梯度等重要控制参数对重金属污染物在帷幕中的运移过程具有显著影响。     

LNAPL在二维含水介质中运移规律的研究

为研究LNAPL(轻质非水相液体)污染物在均匀含水介质中的运移规律,本文建立微元模型推导出LNAPL在均匀含水介质中的对流--弥散方程。针对不同的介质模型,对二维对流--弥散方程运用差分法进行数值模拟,求其数值解。分析LNAPL污染物的运移特征,得出在均匀介质和非均匀层状介质中运移规律:LNAPL污染物在含水介质中的运移规律遵循对流--弥散方程,介质的弥散系数是影响LNAPL污染物运移的主要因素。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

波浪作用下考虑海床变形影响的溶质运移数值模拟

波浪会促进海水中溶质向海底沉积物运移,但已有研究大多未考虑海床（海底沉积物）变形效应的影响。为揭示波浪作用下海床土变形对溶质运移过程的影响机制,构建了考虑海床土变形影响的溶质运移计算模型,对波浪作用下溶质向砂质海底沉积物中的运移过程进行模拟。结果表明:海床土变形会增大孔隙水流速,进而增大溶质纵向水动力弥散系数,增强溶质运移的机械弥散作用,促进溶质向沉积物中运移;考虑海床变形时的溶质最大纵向水动力弥散系数可达不考虑海床变形时的8.5倍,约为分子扩散系数的545倍;海床土剪切模量越小,土体变形效应越明显,对溶质运移过程的影响越大;海床土饱和度的降低,会进一步加速波浪作用下溶质向海底沉积物的运移过程。     

氨氮在黏土防渗层中渗透和运移规律试验研究

对太湖疏浚污染底泥中含有的一种主要污染物--氨氮在底泥堆场黏土防渗层中的渗透和运移规律进行了试验研究。在室内通过渗透模拟试验和动态土柱试验,测定了不同固结压力作用下黏土的渗透系数和弥散系数,通过静态吸附试验测定了黏土对氨氮的吸附系数。试验结果表明,底泥堆场下部的黏土防渗层对底泥中的氨氮具有较强的吸附和阻隔能力。     

应用土柱试验求解地下含水介质弥散系数

污染物质在地下含水介质中的运移,除受渗透系数等水文地质条件的制约外,还受到含水介质弥散系数的控制。污染物的扩散,首先是从包气带开始进行的,浑河冲洪积扇地包气带主要岩性是亚粘土及亚砂土,因此,计算出浑河冲洪积扇包气带的弥散系数,对于认识污染物的运移能力是一项必要的工作。本文利用室内动态土柱装置,模拟包气带岩性环境,以0.05 mol/L的NaCl溶液作为示踪剂,经长时间监测,运用弥散系数计算公式进行求参。计算结果是包气带以亚粘土为主要岩性的弥散系数为0.005 71 m2/d,亚砂土的弥散系数为0.012 47 m2/d。     

地球化学模拟方法确定黏性土孔隙水化学组分

黏性土孔隙水的地球化学行为对于弱透水层水质水量研究、污染物在黏性土中的迁移、核废物储存场址评价及油气储层的盖层评价等均具有重要作用。受低渗透性限制,传统方法提取黏性土孔隙水非常困难。通过实验测定黏性土的物化特性,利用PHREEQC软件模拟计算了孔隙水组成。通过浸提实验,利用阴离子可通过孔隙度（50%总孔隙度）确定模型中孔隙水的Cl-和SO2-4含量;根据岩土的阳离子交换量及各离子的交换选择系数,矿物沉淀 溶解平衡,确定了孔隙水的主要化学组分。结果显示,模拟的孔隙水化学组分与压榨液（相当于原位孔隙水）相近,不同于浸提液。传统的浸提方法不可直接换算为孔隙水,受矿物可交换点阳离子的释出与矿物溶解影响,各离子含量被明显高估。模拟所得天津滨海区黏性土阳离子交换量为13.4~37.8 meq/100g土,可交换离子以Na、Mg、Ca为主。所得孔隙水为还原环境,且随着深度增加,还原性增强。模型中所选矿物均为平衡状态,溶液中可能存在的矿物大部分为未饱和或平衡状态,仅部分含Fe、Al矿物过饱和。由结果可知Fe含量偏高,对控制Fe元素的矿物需进一步精确测定。本方法在低渗透,超固结,低含水量介质的孔隙水相关研究中将发挥重要作用。     

土石混合介质中非反应性阴离子运移试验研究

为探讨化学物质在土石混合介质中的运移过程和机理,采用饱和稳态流下的Cl-1混合置换试验,测定水流和溶质运移过程,分析土石混合介质的溶质穿透曲线特征及碎石组成和含量对运移过程的影响。选用CXTFIT2.1的平衡和物理非平衡对流弥散模型,对参数弥散系数D和滞留因子R进行反求。结果显示:不同土石比的D变异较大:0.258~22.31 cm2/h。R的波动范围为0.6~1.54;碎石含量影响土石介质的溶质运移过程表现为平均孔隙流速、弥散系数、弥散度均与土石比成负指数的幂函数关系。对碎石粒径与溶质运移参数进行相关分析发现,小粒径的碎石含量增加,则孔隙流速和弥散系数有减少的趋势,而大于10 mm的碎石有利于溶质的运移。通过土石介质的非反应性阴离子的混合置换试验研究,可以为非均一介质中化学物质运移提供参考。     

用连续源法预测泄漏事故时污染物在地下水中运移规律——以汉钢地区水文地质条件为例

用连续源法预测汉中钢铁有限责任公司发生泄漏事故的情况下,污染物在地下水中的运移情况。当弥散系数取上限时,污染物向下游扩散速度较快,污染地下水的范围较大,但浓度较低;当弥散系数取下限时,污染物向下游扩散速度较慢,污染地下水的范围较小,但浓度较高,且在同一点处,污染物浓度由零逐渐增加,并趋于稳定。     

基于有机污染物扩散的复合衬垫厚度的概率设计

有机污染物在复合衬垫中的运移以扩散方式为主。目前关于运移参数不确定性及其对衬垫性能影响的研究还不多,复合衬垫厚度的设计也没有考虑不确定性的影响。总结了运移参数已有的成果,采用蒙特卡罗法研究了半无限条件下运移参数的变异性对衬垫底部污染物质量浓度和通量的影响,并对衬垫厚度进行了设计。研究表明:土工膜中有机污染物的分配系数和扩散系数的变异性对质量浓度和通量的影响可以忽略,而土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数的变异性对其影响则非常显著。确定性方法计算的结果偏于危险,有必要加强对土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数概率特性的研究。以甲苯为例进行黏土衬垫厚度设计,结果表明:概率计算方法得到的黏土衬垫厚度约为确定性方法的1.71~1.81倍,采用概率方法进行衬垫设计更合理。     

地下水开采引发的土体变形对污染物迁移影响研究

地下水开采引发的土体变形对污染物迁移具有重要影响。结合地下水渗流理论、太沙基一维固结理论和溶质运移对流-弥散理论,建立了变形土体中污染物迁移三维耦合数值模型,考虑了孔隙度、渗透系数和水动力弥散系数随有效应力的动态变化。通过对实际案例进行模拟,分析了地下水开采引发的土体变形对污染物迁移规律的影响。结果表明,地下水位下降,土体有效应力增加,土体骨架压缩变形,使得孔隙度、渗透系数减小,导致水动力弥散系数增幅减小,从而延缓了污染物迁移的对流扩散过程。     

基于实码遗传算法的地下水污染物运移参数反演

介绍了采用实数编码遗传算法优化反演地下水污染物运移参数的基本步骤,不仅求解了弥散系数,而且反演得到了地下水运动速度。算例表明,采用遗传算法———特征有限元离散方法反演地下水污染物运移参数是可行的。     

混合重金属离子侵蚀饱和黏性土渗透特性试验研究

渗透特性是表征黏性土层防渗能力及防污性能的关键控制因素,黏土衬垫渗透系数的正确选择对保证垫层的防污效果具有极其重要的意义。采用柔性壁渗透仪,通过室内试验研究了混合重金属离子共存情况下侵蚀饱和黏性土的渗透特性变化规律。试验结果表明,将可溶性铜、铬离子混合与铜、锰离子混合溶液作为渗液,黏性土渗透性均随着掺入离子浓度比例的增大而逐渐增强,且相同试验条件下,铜、铬离子混合溶液作为渗液测得的黏土渗透系数值大于铜、锰离子混合溶液作为渗液测得的渗透系数值。混合重金属离子的存在削弱了黏土垫层作为工程防污屏障服役的能力,并对黏土层的水力传导性起到了劣化作用。试验土样微观结构分析表明,渗液特性的改变影响了土样内部的微观结构,随着渗液混合离子质量比的增大,土样中出现了凝聚体且有效输运孔隙通道增大,与宏观渗透特性的变化规律相吻合。研究结果能够为有效评估黏土防污屏障的防渗隔污能力及研究堆场渗液在黏土垫层中的运移机制提供参考。     

地下水溶质运移数值模拟中减少误差的新方法

地下水中污染物运移的数值模拟方法一直是学界的研究热点问题.而如何减少与消除对流-弥散方程数值解中浓度陡锋面附近的数值振荡与数值弥散,更是研究的前沿与难点.提出了一种地下水溶质运移数值模拟中减少数值弥散的新方法.该方法的核心思想是在水动力弥散系数上加上一个数值弥散估算值,得到一个修正弥散系数,用其替代方程中有明确物理意义的水动力弥散系数进行计算.并提出了一个参数——数值弥散因子(μ_NDF),可以根据研究需要进行参数分区并适当调节该因子的大小,从而达到控制数值振荡,减小数值弥散的目的.从一维到二维的多个数值算例的模拟计算结果表明,该方法能在消除数值振荡的基础上,较好地减少数值弥散,达到满意的精度.     

荷载及细粒土含量对饱和砂卵石冻胀融沉影响研究

以北京典型饱和砂卵石地层为研究对象,研究了不同细粒土含量、荷载条件下饱和砂卵石的冻胀融沉特性。试验结果表明：有载条件下的饱和砂卵石试样冻结初期存在明显的冻缩阶段,冻缩量为试样高度的0.053%;冻胀率及融沉系数均与时间具有明显的指数相关性;相同细粒土含量条件下,饱和砂卵石融沉系数（细粒土含量大于10%）及冻胀率随荷载的增加而减小,荷载对细粒土含量小于10%的饱和砂卵石融沉系数影响微乎其微;相同荷载条件下,饱和砂卵石冻胀率及融沉系数随细粒土含量的增加而增大;荷载对冻胀率影响较大,细粒土含量次之,细粒土含量小于0.82%的无载饱和砂卵石是弱冻胀材料;建立了考虑细粒土含量、荷载影响的饱和砂卵石冻胀率及融沉系数预测模型。     

土柱变密度溶质运移试验推求水平及垂直方向弥散度研究

基于溶质运移对流弥散理论的变密度海水入侵模型广泛用于海水入侵研究,而水动力弥散系数是影响模型模拟效果的关键性参量之一。利用传统土柱溶质运移试验结合旁侧抽水,采用数值反演法成功获取了水平及垂直两方向弥散度。相对于传统方法,在不增加试验复杂度的前提下,同时推求了不同方向的弥散度,提高了试验效率,节约了试验成本,可广泛用于测定水动力弥散系数等参数。     

钱塘江冲海积粉土渗透破坏试验研究EI北大核心CSCD

钱塘江冲海积粉土以砂质粉土为主,呈'高粉性、低黏性'的地区特点,在地下水动水压力作用下极易产生渗透破坏。粉土是介于砂性土和黏性土之间的一种过渡类型土,工程性质既与砂性土不同又与黏性土有较大区别。采用自行研制的粉土抗渗强度测定设备,对钱塘江冲海积粉土5种典型样本和微层理原状样本进行了渗透稳定试验。结果表明,钱塘江冲海积粉土渗透稳定性差,抗渗强度低;砂质粉土临界水力比降icr为1.011.25,破坏形式为局部流土,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF的过程是瞬间的,基坑开挖遇到该类土层极易产生渗透破坏;黏质粉土临界水力比降icr随黏粒含量增加而增加,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF有个短暂的过程,是整体流土破坏;钱塘江冲海积粉土渗透稳定各向异性;渗流垂直微层理方向的临界水力比降icr最大,是渗流沿微层理方向icr的2.5倍左右。研究结果为粉土地基渗透破坏防治提供参考。     

钱塘江冲海积粉土渗透破坏试验研究

钱塘江冲海积粉土以砂质粉土为主,呈“高粉性、低黏性”的地区特点,在地下水动水压力作用下极易产生渗透破坏。粉土是介于砂性土和黏性土之间的一种过渡类型土,工程性质既与砂性土不同又与黏性土有较大区别。采用自行研制的粉土抗渗强度测定设备,对钱塘江冲海积粉土5种典型样本和微层理原状样本进行了渗透稳定试验。结果表明,钱塘江冲海积粉土渗透稳定性差,抗渗强度低;砂质粉土临界水力比降icr为1.01～1.25,破坏形式为局部流土,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF的过程是瞬间的,基坑开挖遇到该类土层极易产生渗透破坏;黏质粉土临界水力比降icr随黏粒含量增加而增加,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF有个短暂的过程,是整体流土破坏;钱塘江冲海积粉土渗透稳定各向异性;渗流垂直微层理方向的临界水力比降icr最大,是渗流沿微层理方向icr的2.5倍左右。研究结果为粉土地基渗透破坏防治提供参考。