本文關(guān)鍵詞：黏土屏障重金屬遷移離心模擬相似性及擊穿時間評估方法

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【摘要】：固廢堆場及污染場地污染控制工程中防污屏障的長期服役時間需達(dá)數(shù)十甚至上百年。目前防污屏障被污染物擊穿時間主要是采用解析模型或數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測和評估,預(yù)測結(jié)果缺乏長時間尺度的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)或者模型試驗(yàn)的驗(yàn)證。為了能有效模擬防污屏障的長期服役性能,本文以黏土屏障和重金屬Pb2+為研究對象,采用batch試驗(yàn)、擴(kuò)散試驗(yàn)、1g土柱試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)等對Pb2+遷移超重力離心模擬相似性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了基于離心模型縮時試驗(yàn)的防污屏障擊穿時間評估方法,并首次開展了歷時72小時(對應(yīng)原型21年)Pb2+擊穿黏土屏障離心模型試驗(yàn),獲得了以下研究成果：(1)發(fā)明了一套用于黏土防污屏障污染物遷移離心模擬的試驗(yàn)裝置,由常水頭保持裝置(馬氏瓶)、模型筒、安裝有差壓傳感器和電導(dǎo)率儀的底部出流收集及監(jiān)測裝置三部分組成。馬氏瓶可實(shí)現(xiàn)超重力狀態(tài)下自動補(bǔ)水及水位穩(wěn)定,底部出流收集及監(jiān)測裝置可實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境下防污屏障模型試驗(yàn)滲流量及出流濃度實(shí)時監(jiān)測。(2)分析了離心加速度不均勻?qū)ν林Ｐ椭袧B透力和土壓力的影響。結(jié)果表明：對于ZJU-400g.t離心機(jī),當(dāng)模型高度小于90cm時,由加速度不均勻?qū)е碌哪Ｐ团c原型應(yīng)力的誤差可忽略。確定了模型的等效離心半徑。根據(jù)模型滲透系數(shù)控制在10-7cm/s以下的要求,確定高嶺土土柱模型制備的最大固結(jié)應(yīng)力為400kPa,使模型在離心機(jī)內(nèi)為超固結(jié)狀態(tài),可降低離心力固結(jié)對試驗(yàn)中污染物遷移過程的影響。(3)以高嶺土和惰性污染物氯離子為材料,開展了高嶺土重塑試樣的純擴(kuò)散試驗(yàn)、常重力(1g)和超重力(25-50g)下不同滲流速度土柱試驗(yàn),得到了模型的彌散度以及水動力彌散系數(shù)Dh與流速vs的關(guān)系,分析了機(jī)械彌散作用的相似性：當(dāng)Pe是基于彌散度定義時,可沿用前人提出的臨界Pe數(shù)(即Pe=1)來判別高嶺土中氯離子彌散作用的離心模擬相似性；當(dāng)Pe數(shù)是基于平均粒徑定義時,用于判別高嶺土中彌散作用相似性的臨界Pe數(shù)遠(yuǎn)小于1。針對垃圾填埋場可能遇到水頭差(0-40m),當(dāng)離心機(jī)加速度低于100g時,其擊穿時間模擬誤差不超過24%。(4)基于batch試驗(yàn)、土柱擴(kuò)散試驗(yàn)、1g土柱試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)結(jié)果,分析了土水比、滲流速度等對高嶺土吸附Pb2+的影響：高土水比對應(yīng)的土柱狀態(tài)高嶺土所表現(xiàn)出的吸附性能小于低土水比對應(yīng)的散粒狀態(tài)高嶺土；模型流速從0增大到5.67×10-7m/s時,高嶺土對Pb2+的阻滯因子凡從12.5減小為8,流速在5.67×10-7m/s～14.8×10-7m/s之間,Rd基本不變,建立阻滯因子Rd與滲流速度vs的關(guān)系。離心模型試驗(yàn)用于低滲透性高嶺土襯墊Pb2+擊穿時間模擬時,吸附作用不完全滿足相似,模擬得到的擊穿時間偏小,可根據(jù)Rd-vs的關(guān)系修正吸附作用導(dǎo)致的誤差。(5)提出了基于離心模型縮時試驗(yàn)的防污屏障擊穿時間評估方法：計算模型選擇能反映粘土吸附行為的一維對流-彌散模型,邊界條件選擇宜根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定；分子擴(kuò)散系數(shù)采用土柱擴(kuò)散試驗(yàn)確定,采用惰性離子土柱試驗(yàn)確定試驗(yàn)室土柱的彌散度,現(xiàn)場原型的彌散度采用經(jīng)驗(yàn)公式確定,吸附模式及參數(shù)采用一批不同源濃度的短土柱全擊穿試驗(yàn)確定；最后采用代表性工況下離心模型縮時試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。開展了72小時Pb2+遷移離心模型試驗(yàn),模擬了Pb2+在黏土襯墊中的21年遷移過程,驗(yàn)證了擊穿時間評估方法的可靠性。(6)利用上述擊穿時間評估方法,分析了源溶液濃度、吸附模式以及水頭對均質(zhì)黏土防污屏障擊穿時間的影響,獲得以下結(jié)論：1)減小污染源濃度有利于延長擊穿時間,但其效果與吸附模式有關(guān)：源濃度從1000mg/L降為10mg/L,擊穿時間分別增加了0.6年(Freundlich模型)、5.3年(線性)、13.3年(Langmuir模型)；2)吸附模式對于屏障的防污性能影響非常明顯：Langmuir模型對應(yīng)的絕對擊穿時間是線性吸附模型的2倍以上,是Freundlich模型的12.8倍以上；3)考慮流速減小可增加屏障材料的吸附時,30cm水頭對應(yīng)的絕對擊穿時間約為10m的4倍以上,減小水頭能有效增大擊穿時間。(7)獲得了HDPE膜-膨潤土復(fù)合防污帷幕三層結(jié)構(gòu)一維擴(kuò)散解析解,分析了HDPE膜-膨潤土間分配系數(shù)Sgf,膨潤土阻滯因子Rd和膨潤土墻厚度對復(fù)合防污帷幕擊穿時間的影響,得到以下結(jié)論：HDPE膜對分配系數(shù)小的親水性有機(jī)物有良好的阻滯作用,而分配系數(shù)大的疏水性有機(jī)物在HDPE膜中則擴(kuò)散較快；膨潤土的阻滯因子凡對屏障防污性能影響較大,Rd從3.3提高至30,擊穿時間增大為原來的8.6倍；屏障厚度對復(fù)合屏障防污性能影響很大,屏障厚度從0.6m增大到1.2m,擊穿時間增大為原來的3.8倍。
【關(guān)鍵詞】：防污屏障 高嶺土 污染物遷移 離心模擬 機(jī)械彌散 吸附作用 相似性 擊穿時間
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X705;TU43
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-16
• 符號清單和術(shù)語表16-17
• 第1章 緒論17-33
• 1.1 研究背景17-18
• 1.2 防污屏障技術(shù)簡介18-20
• 1.3 防污屏障服役性能研究現(xiàn)狀20-23
• 1.4 污染物遷移物理模型試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀23-24
• 1.5 污染物遷移離心模型試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀24-29
• 1.5.1 污染物遷移離心模型相似原理24-26
• 1.5.2 污染物遷移離心模型相似性研究現(xiàn)狀26-28
• 1.5.3 吸附作用相關(guān)問題研究現(xiàn)狀28-29
• 1.6 本文的主要研究工作及技術(shù)路線29-33
• 1.6.1 問題的提出29-30
• 1.6.2 研究技術(shù)路線30-31
• 1.6.3 研究內(nèi)容31-33
• 第2章 防污屏障中污染物遷移理論模型及分析方法33-67
• 2.1 前言33
• 2.2 污染物遷移的機(jī)理33-41
• 2.2.1 對流作用33-34
• 2.2.2 分子擴(kuò)散作用34
• 2.2.3 機(jī)械彌散作用34-35
• 2.2.4 吸附作用35-37
• 2.2.5 污染物遷移控制方程37-41
• 2.3 均勻介質(zhì)中不同邊界條件下一維對流-彌散-線性吸附作用解析解41-52
• 2.3.1 前言41-42
• 2.3.2 解析模型介紹42-45
• 2.3.3 不同邊界模型比較45-51
• 2.3.4 邊界條件應(yīng)用討論51-52
• 2.4 一維非線性吸附模擬方法52-57
• 2.4.1 前言52-53
• 2.4.2 差分法介紹53-55
• 2.4.3 商業(yè)軟件介紹55-57
• 2.5 土工膜復(fù)合豎向屏障解析模擬方法57-65
• 2.5.1 前言57-58
• 2.5.2 解析模型58-60
• 2.5.3 模型求解及驗(yàn)證60-65
• 2.6 本章小結(jié)65-67
• 第3章 黏土屏障中污染物遷移模型試驗(yàn)材料及裝置設(shè)計67-93
• 3.1 模型試驗(yàn)材料67-72
• 3.1.1 前言67
• 3.1.2 試驗(yàn)材料選擇及參數(shù)介紹67-72
• 3.2 試驗(yàn)裝置及儀器72-81
• 3.2.1 前言72-73
• 3.2.2 模型試驗(yàn)裝置及測試分析儀器73-81
• 3.3 試驗(yàn)量測儀器的標(biāo)定81-85
• 3.3.1 電極標(biāo)定81-83
• 3.3.2 1g狀態(tài)下差壓傳感器標(biāo)定83-85
• 3.4 離心試驗(yàn)裝置在超重力離心狀態(tài)下的性能測試及驗(yàn)證85-92
• 3.4.1 馬氏瓶在離心狀態(tài)下的性能測試85-88
• 3.4.2 底部出流收集及監(jiān)測裝置在離心狀態(tài)下的性能測試88-92
• 3.5 本章小結(jié)92-93
• 第4章 NG離心狀態(tài)下粘土屏障模型應(yīng)力及固結(jié)分析93-117
• 4.1 前言93
• 4.2 離心模型內(nèi)部應(yīng)力分析和等效離心半徑的確定93-102
• 4.2.1 考慮離心加速度沿深度變化的土壓力分析93-96
• 4.2.2 考慮離心加速度沿深度變化的滲透力分析96-100
• 4.2.3 等效半徑(等效離心加速度)確定100-102
• 4.3 離心狀態(tài)下模型固結(jié)分析102-114
• 4.3.1 低固結(jié)模型分析102-112
• 4.3.2 超固結(jié)模型分析112-114
• 4.3.3 固結(jié)分析及對試驗(yàn)的指導(dǎo)意義114
• 4.4 高滲透力下水力劈裂分析114-116
• 4.5 本章小結(jié)116-117
• 第5章 黏土屏障中污染物遷移離心模擬相似性試驗(yàn)研究方案及方法117-133
• 5.1 試驗(yàn)方案設(shè)計117-118
• 5.2 試驗(yàn)方法介紹118-125
• 5.2.1 屏障模型制備方法118-121
• 5.2.2 Batch試驗(yàn)方法121-122
• 5.2.3 擴(kuò)散試驗(yàn)方法122-123
• 5.2.4 1g土柱試驗(yàn)方法123-124
• 5.2.5 Ng離心模型試驗(yàn)方法124-125
• 5.3 遷移試驗(yàn)后土柱濃度分析方法125-130
• 5.3.1 前言125-127
• 5.3.2 氯離子濃度分析方法127
• 5.3.3 重金屬離子濃度分析方法127-130
• 5.4 本章小結(jié)130-133
• 第6章 黏土屏障中機(jī)械彌散作用離心模擬相似性試驗(yàn)研究133-151
• 6.1 試驗(yàn)工況介紹133
• 6.2 氯離子純擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果及分析133-137
• 6.2.1 擴(kuò)散試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果133-134
• 6.2.2 擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果模擬邊界確定134-136
• 6.2.3 擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果分析與討論136-137
• 6.3 氯離子1G和NG離心土柱試驗(yàn)137-145
• 6.3.1 土柱試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果137-139
• 6.3.2 土柱試驗(yàn)結(jié)果模擬邊界確定139-144
• 6.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論144-145
• 6.4 低滲透性粘土機(jī)械彌散作用相似性討論145-149
• 6.5 本章小結(jié)149-151
• 第7章 黏土屏障中吸附作用離心模擬相似性試驗(yàn)研究151-171
• 7.1 試驗(yàn)工況介紹151-152
• 7.2 BATCH試驗(yàn)結(jié)果與討論152-157
• 7.2.1 不同反應(yīng)時間吸附試驗(yàn)152-153
• 7.2.2 等溫平衡吸附試驗(yàn)153-157
• 7.3 土柱狀態(tài)試驗(yàn)中吸附作用擬合分析157-158
• 7.4 土柱擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果與討論158-160
• 7.4.1 擴(kuò)散試驗(yàn)參數(shù)158
• 7.4.2 擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果及分析158-160
• 7.5 不同水頭的1G和NG離心土柱試驗(yàn)160-167
• 7.5.1 重金屬離子遷移試驗(yàn)組模型參數(shù)160-161
• 7.5.2 試驗(yàn)結(jié)果161-162
• 7.5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析162-164
• 7.5.4 流速對Pb~(2+)吸附的影響討論164-167
• 7.6 低滲透性粘土吸附作用離心模擬相似性討論167-168
• 7.7 本章小結(jié)168-171
• 第8章 基于離心模型縮時試驗(yàn)的防污屏障擊穿時間評估方法及應(yīng)用171-209
• 8.1 前言171
• 8.2 屏障擊穿時間定義171-172
• 8.3 防污屏障性能影響因素及規(guī)律分析172-184
• 8.3.1 考慮線性吸附的對流-彌散模型的影響因素及規(guī)律分析173-175
• 8.3.2 考慮Freundlich模型的對流-彌散的影響因素及規(guī)律分析175-178
• 8.3.3 考慮Langmuir模型的對流-彌散的影響因素及規(guī)律分析178-181
• 8.3.4 最大吸附量相同的不同吸附模型對遷移行為的影響分析181-183
• 8.3.5 總結(jié)與討論183-184
• 8.4 以一維遷移為主的水平和豎向屏障擊穿時間評估方法184-191
• 8.4.1 基于模型試驗(yàn)的擊穿時間評估方法184-187
• 8.4.3 黏土襯墊擊穿時間的72h離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證187-191
• 8.5 實(shí)際場地防污屏障擊穿時間分析191-206
• 8.5.1 均質(zhì)黏土屏障擊穿時間分析191-199
• 8.5.2 復(fù)合豎向屏障擊穿時間分析199-206
• 8.6 本章小結(jié)206-209
• 第9章 結(jié)論與展望209-213
• 9.1 主要結(jié)論209-211
• 9.2 進(jìn)一步研究展望211-213
• 參考文獻(xiàn)213-229
• 作者簡歷及發(fā)表論文情況229
• 學(xué)習(xí)經(jīng)歷229
• 攻讀博士學(xué)位期間科研成果229

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本文編號：532012