压实非饱和粘土层生活源污染质运移及其效应

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangcx1987
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生活源污染质在土体中扩散、运移过程中,土体不仅经历了非饱和至饱和含水状态的转变,且进行了复杂的物理、化学、生物反应,土体性质与结构发生了改变。污染质在土体中的运移规律及其影响下不同渗流深度的非饱和土体性质和结构变化特征,是评价污染质运移的环境效应和土体工程地质性质的前提和基础。本论文以生活源污染质在压实粘土层中的运移规律为主线,以污染质运移对不同渗流深度下压实粘土非饱和特性的影响为核心问题,以构建生活源污染质在压实粘土层中运移理论模型为目标,以物理模拟、数值模拟和数学理论模型等为技术手段,建立了基于土-水特征曲线的生活源污染质运移理论模型,揭示了污染质渗流要素(渗流压力等)对不同压实度土体非饱和特征参数、渗透性、结构等的影响规律和影响机理。以徐州南郊未污染粘土土-水特征曲线测试为切入点,建立了以初始干密度、初始含水量、竖向应力、前期固结压力为参数的土-水特征曲线模型,及以渗流深度为参数的生活源污染粘土土-水特征曲线模型。同时,以模拟研究不同渗流压力和不同轴向压力下生活源污染质在压实粘土层中运移规律为目的,设计并加工了生活源污染质渗流物理模型,揭示了高渗压高轴压下生活源污染质在粘土层中不同深度下的渗流特征、渗透性变化机理。进而,利用数值模拟技术,阐明了生活源污染质中5种主要离子在物理模型和徐州雁群垃圾填埋场中的运移规律,探索了压实粘土层生活源运移过程中的非饱和响应特征。最终,建立了基于土-水特征曲线的生活源污染质运移理论模型。研究表明,生活源污染粘土土-水特征曲线可以分成边界效应区、过渡区和残余区;不同初始干密度的徐州南郊未污染粘土土-水特征曲线皆相交于基质吸力180kPa,在交点之前干密度越大的粘土体积含水率较高,在交点之后干密度越大的粘土体积含水率越低;定义了渗流初至时间梯度和渗流稳定时间梯度,并明确了其涵义;相同渗流压力和轴向压力下,粘土的孔隙水压力、渗流量均与渗流深度呈负相关关系,而渗流初至时间梯度和渗流稳定时间梯度均与渗流深度呈正相关关系;相同运移时间条件下,离子浓度均随着渗滤液水头的提高而增大,且增长率从大到小排列顺序是:Na+>Cu2+>Mg2+>Ca2+>CO32-,同时,离子浓度均随着粘土压实度的增高而降低,且降低率由大到小的排列顺序为:CO32->Ca2+>Mg2+>Na+>Cu2+;理论计算和微观结构图像提取的孔径分布参数基本一致,随着渗流深度的增加,生活源污染粘土饱和度降低,微观孔隙尺寸逐渐增大,孔隙度逐渐提高,孔隙分布均匀程度降低;在建立污染过程中以渗流深度为参数的土-水特征曲线模型的基础上,建立了基于土-水特征曲线的生活源污染质运移理论模型,该模型包括连续性方程、达西方程、渗流基本微分方程、水分运移方程、溶质运移方程、以初始干密度为参数的徐州南郊未污染粘土-水特征曲线方程和非饱和土导水率方程;验证了物理模拟和数值模拟结果的一致性,进而,证明了基于土-水特征曲线的生活源污染质运移理论模型的可靠性和合理性。本论文取得的创新点如下:1.建立了基于土-水特征曲线的生活源污染质运移理论模型。2.建立了未污染粘土以初始干密度、初始含水量、竖向应力、前期固结压力为参数的土-水特征曲线模型及污染过程中以渗流深度为参数的土-水特征曲线模型。3.设计加工了加压渗流模拟装置,进行了压实非饱和粘土溶质运移模拟实验,揭示了不同渗流深度下Na+、Cu2+、Mg2+、Ca2+、CO32-的运移规律。4.测试分析了孔径分布等微观结构变化,揭示了压实非饱和粘土层生活源污染质运移的微观机理及效应。
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