大变形多孔介质中污染物运移和转化规律的数值模拟分析

发布时间：2020-06-30 11:35

【摘要】：随着我国城市化进程的快速发展,城市生活垃圾不断堆积与增加使得大量土地资源被侵占,因此迫切需要对现有的垃圾填埋场进行扩建,而这一做法势必会使垃圾的处理数量和填埋高度增加,进而导致防渗层发生较大的变形固结。因此本文采用理论分析和数值模拟的研究方法,建立了大变形固结条件下污染物在均质介质和成层介质中的一维和二维运移与转化模型,其中考虑了土体自重、吸附作用、吸附模式和生物降解性能的影响,并采用COMSOL Multiphysics有限元软件对上述模型进行数值求解。根据模型结果分析污染物在大变形饱和多孔介质中的运移和转化规律,并得到了以下结论:(1)当土层较薄时,在一维大变形固结方程中土体的自重项可以忽略。在假设土体发生大变形的模型中,土体变形量约占土体总厚度的15%～35%。另外在成层介质中,工况1和工况2的土层被压缩的厚度与孔隙比不同。考虑土体发生大变形固结能延长污染物的穿透时间。(2)吸附作用对污染物在防渗层中的运移与转化过程影响显著。在同一条件下,考虑等温线性吸附的污染物穿透时间是不考虑吸附作用的数倍,因此吸附作用能有效延长污染物的穿透时间,且对污染物的运移与转化起到显著地阻滞作用。与等温线性吸附相比,等温非线性Langjmuir吸附下的污染物穿透时间及运移深度较小,因此模型采用等温非线性Langmuir吸附结果较安全。(3)与改变预固结有效压力、压缩指数以及渗透系数相比,减小孔隙比对延长污染物在土体中的穿透时间影响最为显著。因此只有合理的组合参数才能最有效地对污染物达到阻滞作用。(4)在成层介质中分析污染物运移与转化模型结果,发现不同工况对污染物的穿透时间基本没有影响,但在土层交界处污染物浓度分布发生突变。另外工况2中的污染物浓度分布和运移深度大于工况1。因此合理选择土层的放置顺序对防渗层设计有重要指导意义。(5)改变土体厚度及扩散系数对污染物的运移与转化影响显著。增加土体厚度、减小的垂直扩散系数和增大的水平扩散系数能有效地阻滞污染物在防渗层垂直方向的运移,而设置垂直防渗措置能有效控制污染物在水平方向的扩散。(6)在污染物运移与转化初期,改变生物降解系数对污染物的浓度分布及扩.散范围影响较小,可以忽略不计;在较长时间后,增大生物降解系数,会使污染物在土层中的穿透时间延长,并使防渗层底部土体中的污染物浓度以及扩散范围缩小。(7)在污染物的二维运移和转化模型中,在同一深度处,污染物浓度呈中间高、两边低的对称分布趋势;在同一水平位置处,污染物浓度在污染源范围外呈先增高后降低的分布趋势,在污染源范围内污染物浓度分布呈降低趋势。因此分析污染物在大变形防渗层中的运移与转化规律对填埋场中防渗层的设计具有重要的参考意义,对延长垃圾填埋场的服役寿命,减小对周围环境的污染的具有重要社会意义。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X799.3
【图文】：

技术路线图,均质介质,吸附模式,成层介质

图１－１研宄技术路线图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ｒｏａｄｍａｐ逡逑１．３．３创新点逡逑推导建立了在等温非线性Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附模式下，大变形均质介质和成层介质逡逑中污染物运移和转化的一维和二维数值模型。并据此分析了模型中相关项和相关逡逑因素的影响，总结了大变形多孔介质中污染物运移和转化的相关规律。逡逑１５逡逑

大变形固结,问题,总应力

逑３．１．３大变形固结土体的非线性本构关系逡逑如图３－３所示，设土层厚度为／／，土层在自重以及上覆荷载９的作用下已经逡逑固结完毕，水位在距离黏土层上层边界的从，处，当施加新的竖向均布荷载９邋＝分（0逡逑后，土体发生新的大变形固结，由此可研宄该模型中的总应力、有效应力、孔隙逡逑水压力以及沉降之间的相互关系。逡逑ｑＰ＋ｑ逡逑逦逦逦逦Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逦逦逡逑Ｈ逡逑＂邋ａ逡逑图３－３邋—维大变形固结问题示意逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｌａｒｇｅ邋ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｂｌｅｍ逡逑土体中的总应力为逡逑（ｊ邋＝邋ｃｒ｛ａ，ｔ）邋＝邋Ｇ｛Ｑ），ｔ）邋＋邋Ｙ＾＾＾ｄａ逦（３－９ａ）逡逑式中，0■（０，0表示土体在ａ邋＝邋0处的竖向总应力。逡逑＾（＾，ｔ）邋＝邋ＱＰ＋（Ｉ邋＋邋ｒｗ［Ｈｗ＋Ｓ（0，ｔ）］逦（３－９ｂ）逡逑根据式（３－５）可得孔隙水压力为逡逑ｐ邋＝邋ｐ（ａ，ｔ）邋＝邋ｕ邋＋邋ｒｖ邋［Ｈｖ邋＋邋Ｓ（Ｑ，ｔ］＼邋＋邋ｙｖ＼ａＱ＾＾ｄａ逦（３－１０）逡逑则有效应力为逡逑ａ＇邋＾ａ＇｛ａ，Ｑ＞）邋＝邋ｃｊ－ｐ邋＝邋（Ｔ＾邋＋邋ｑ｛ｔ）－ｕ逦（３－１邋ｌａ）逡逑式中

【参考文献】