可压缩介质中污染物迁移规律研究

发布时间：2017-08-02 16:35

  本文关键词：可压缩介质中污染物迁移规律研究

  更多相关文章： 污染物 大变形固结 层状介质 耦合作用 有限差分法 生物降解作用

【摘要】：城市简易垃圾填埋场一般以较厚的、高含水量、大孔隙比的天然粘土作为主要的防渗层。在上覆荷载及覆盖层的作用下,粘土防渗层会发生比较大的固结变形。工程实际表明:建立在小变形假定基础上的固结理论不能准确地预测土体的固结过程,进而不能准确地预测污染物在大变形土体中的迁移和转化规律。因此,当研究污染物在粘土防渗层中的迁移和转化规律时,有必要考虑土体的固结变形。本文针对污染物在大变形土体中迁移和转化的情形,进行了系统地研究,取得的研究成果如下:1、基于Gibson一维大变形固结理论,推导了均质土体中考虑土体自重的一维大变形固结微分方程;在多层地基大变形固结理论的基础上,建立了层状土体中考虑土体自重的一维大变形固结微分方程。采用简化的Crank-Nicholson型差分格式对所建的控制方程进行了数值求解。2、基于Gibson一维大变形固结理论与饱和多孔介质中污染物对流-扩散方程,建立了二者耦合的、大变形土体中污染物一维与二维迁移和转化模型,模型中综合考虑了土体自重应力、土颗粒的吸附作用和生物降解作用;在多层地基一维大变形固结理论与饱和多孔介质中污染物迁移理论的基础上,建立了二者耦合的、层状大变形土体中污染物一维与二维迁移和转化模型,这些模型最显著的特点是:考虑了土体固结变形和不同吸附模式对污染物迁移和转化规律的影响。采用简化的Crank-Nicholson型隐式差分格式和交替方向隐式差分格式即ADI格式,对上述所建模型进行了数值求解。3、分析了非线性吸附条件下大变形土体中污染物一维迁移和转化规律,结果表明:土体厚度、扩散系数和生物降解作用对污染物的迁移和转化具有重要的影响。其次,当污染物的浓度较大时,采用等温非线性吸附模式会得到比较安全的结果。4、研究了考虑层状土体大变形固结的污染物一维迁移和转化模型,分析了不同吸附模式条件下,污染物在土体中的迁移和转化规律,系统地讨论了相关参数的灵敏性和主要项的作用。研究结果表明:在相同条件下,不同工况的剖面浓度分布差异很大,污染物的浓度分布在土体交界面处会形成突变,但土体层序的颠倒对污染物穿透土体的时间几乎没有影响;其次,在污染物迁移的初始时间内,生物降解作用对土体中污染物的浓度几乎没有任何影响。但是随着时间的推移,生物降解作用就能有效地降低土体中污染物的浓度。并且土体中污染物的浓度与降解系数呈负相关关系。降解作用越强,污染物达到稳定状态所需要的时间越短。这对评价粘土防渗层对污染物的长期阻隔效应具有重要的意义。5、在大变形土体中污染物二维迁移和转化规律的研究中,考虑了土体颗粒对污染物的等温线性吸附作用。采用交替方向隐式差分格式即ADI格式,对所建的控制方程进行了数值求解。分析了土层厚度、横向扩散系数、竖向扩散系数以及生物降解作用对污染物迁移和转化规律的影响。结果表明:扩散系数能显著地影响污染物在土体中的迁移,扩散项在污染物的迁移和转化过程中发挥着主要的作用。本文的研究结果表明:大变形土体的几何非线性对粘土防渗层中污染物迁移和转化的时间具有重要影响,在研究粘土防渗层对污染物的阻隔作用时,土体的大变形固结作用不可忽略。通过数值模拟可以发现,以上结论对垃圾填埋场衬垫系统的初步设计提供了参考。
【关键词】：污染物 大变形固结 层状介质 耦合作用 有限差分法 生物降解作用
【学位授予单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X705;O241.82
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 选题依据及研究意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-22
• 1.2.1 土体固结理论的研究进展14-17
• 1.2.2 污染物迁移理论的研究进展17-20
• 1.2.3 土体固结变形与污染物迁移计算分析的数值方法20-22
• 1.3 本文的主要研究工作及创新点22-25
• 1.3.1 本文的主要研究工作22-23
• 1.3.2 技术路线23
• 1.3.3 创新点23-25
• 第二章 土层中污染物的迁移机理25-33
• 2.1 对流迁移25-26
• 2.2 机械弥散26-27
• 2.3 分子扩散27-29
• 2.4 吸附与解吸作用29-31
• 2.5 污染物的生物降解作用31
• 2.6 本章小结31-33
• 第三章 现有污染物迁移理论33-43
• 3.1 不考虑介质变形时污染物迁移和转化模型33-34
• 3.1.1 模型建立的基本假设33
• 3.1.2 建立模型的基本方程33-34
• 3.2 基于Biot小变形固结理论的污染物迁移模型34-37
• 3.2.1 模型建立的基本假设34-35
• 3.2.2 建立模型的基本方程35-37
• 3.3 Smith小变形污染物迁移模型37-38
• 3.3.1 模型建立的基本假设37
• 3.3.2 建立模型的基本方程37-38
• 3.4 Smith大变形污染物迁移模型38-40
• 3.4.1 模型建立的基本假设39
• 3.4.2 建立模型的基本方程39-40
• 3.5 本章小结40-43
• 第四章 物质坐标系下一维大变形固结方程的建立及数值求解43-57
• 4.1 一维大变形固结方程的建立43-48
• 4.1.1 模型建立的基本假定43
• 4.1.2 建立模型的基本方程43-46
• 4.1.3 土体的非线性本构关系46-48
• 4.1.4 固结方程的求解条件48
• 4.2 层状土体大变形固结方程的建立48-50
• 4.2.1 模型建立的基本假定48
• 4.2.2 建立模型的基本方程48-49
• 4.2.3 土体的非线性本构关系49
• 4.2.4 固结方程的求解条件49-50
• 4.3 大变形固结微分方程的求解50-56
• 4.3.1 控制方程的无量纲化50-52
• 4.3.2 控制方程的差分格式52-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 大变形土体中污染物迁移和转化模型的建立及数值求解57-79
• 5.1 大变形土体中二维污染物迁移和转化方程的建立57-65
• 5.1.1 模型建立的基本假定57
• 5.1.2 建立模型的基本方程57-64
• 5.1.3 污染物一维迁移和转化方程的求解条件64
• 5.1.4 污染物二维迁移和转化方程的求解条件64-65
• 5.2 污染物在层状大变形土体中迁移和转化方程65-68
• 5.2.1 模型建立的基本假定65-66
• 5.2.2 建立模型的基本方程66-68
• 5.2.3 污染物一维迁移和转化方程的求解条件68
• 5.3 污染物迁移和转化方程的求解68-78
• 5.3.1 控制方程的无量纲化68-70
• 5.3.2 控制方程的差分格式70-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第六章 非线性吸附条件下大变形土体中污染物一维迁移和转化模型的数值分析79-97
• 6.1 一维大应变固结方程79
• 6.2 均质土体中污染物一维迁移和转化方程79-82
• 6.3 模型参数82
• 6.4 不同模型之间的计算结果及对比分析82-88
• 6.5 模型中主要参数的影响88-95
• 6.6 本章小结95-97
• 第七章 考虑层状土体大变形固结的污染物一维迁移和转化模型97-113
• 7.1 层状土体一维大应变固结方程97-98
• 7.2 层状土体中污染物一维迁移和转化方程98-100
• 7.3 模型参数100-101
• 7.4 不同模型之间的计算结果及对比分析101-105
• 7.5 模型中主要参数的影响105-112
• 7.6 本章小结112-113
• 第八章 大变形土体中污染物二维迁移和转化模型的数值分析113-139
• 8.1 一维大应变固结方程113
• 8.2 均质土体中污染物二维迁移和转化方程113-114
• 8.3 模型参数114-115
• 8.4 不同模型之间计算结果及对比分析115-126
• 8.5 模型中主要参数的影响126-137
• 8.6 本章小结137-139
• 第九章 总结与展望139-143
• 9.1 本文小结139-140
• 9.2 下一步工作展望140-143
• 参考文献143-149
• 致谢149-151
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研情况151
• 一、发表的论文151
• 二、参加的科研项目151
• 三、参加的学术会议151

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本文编号：610239