成层土中大变形固结与污染物迁移的耦合规律研究

发布时间：2020-09-16 17:47

　　 我国当前的环境污染问题十分严峻,主要表现有城市河道水体黑臭、“垃圾围城”、土壤污染等。对这些环境污染问题地治理涉及到诸多的环境岩土工程范畴,常见的有污染岩土材料(污染底泥、尾矿等)的堆场处置、城市生活垃圾的填埋处理和污染底泥的水下原位覆盖,这三种方式处理污染问题均具有时效性,如何合理地对这些治理工程进行设计和维护使得其能够发挥最好的防污性能值得研究。在对这些工程进行设计和维护时,需要掌握污染物在其中的迁移规律,而这需要深入地理解这些工程中所涉及到的土体固结与污染物迁移耦合现象的发生机理。本文基于经过广泛验证的大变形固结与污染物迁移耦合的计算模型——CST3模型,对污染淤泥的堆场处置、污染物穿越垃圾填埋场底部衬垫系统和污染底泥的水下原位覆盖这三个环境岩土工程问题进行研究,揭示这些工程问题中固结与污染物迁移耦合现象的发生机理及固结效应对污染物迁移过程的影响规律。本文主要内容如下:(1)基于大变形固结方程和污染物对流-弥散方程,提出了一种自重固结与污染物迁移耦合的数学模型,并结合算例对CST3模型模拟污染淤泥堆场处置问题进行了验证。运用CST3模型对疏浚污泥堆场处置进行了参数分析,分析了固结效应、土体初始高度、土体压缩性、吸附效应和污染物的有效扩散系数对污染物在淤泥中迁移过程的影响。分析结果表明淤泥的自重固结能显著地加速淤泥中污染物的流出;淤泥的自重固结对污染物迁移的影响随着淤泥的初始高度、压缩指数和有效扩散系数经验指数的增大而增大;在淤泥自重固结发生的最初几个月,分布系数越大淤泥固结效应的影响越强,随后分布系数越大淤泥固结效应的影响越弱。(2)提出了针对垃圾填埋场底部GMB/GCL/CCL三层复合衬垫系统的污染物扩散解析解,运用CST3模型对该解析解进行了验证。运用CST3模型分析了GMB/GCL/CCL衬垫系统中的固结与污染物迁移的耦合问题,并研究了GCL压缩性、GCL渗透性、CCL压缩性、CCL渗透性、加载时间、吸附速率常数和一阶衰变常数对污染物穿越GMB/GCL/CCL衬垫系统的影响。分析结果表明:无论是在固结进行的过程中还是在固结完成以后,GCL和CCL的固结均对污染物穿越GMB/GCL/CCL衬垫系统具有显著的影响;GCL和CCL的固结对污染物迁移的影响受GCL压缩性、CCL压缩性和CCL渗透性的影响较大,而受GCL渗透性的影响很小;GCL和CCL的固结对污染物迁移的影响随着加载时间的增大而减小,且随着吸附速率常数和一阶衰变常数的增大而增大。(3)提出了针对覆盖层、RCM、污染底泥和洁净底泥四层介质体系的污染物扩散解析解,并运用CST3模型对该解析解进行了验证。运用CST3模型分析了污染底泥原位覆盖中的固结与污染物迁移的耦合问题,并研究了覆盖层厚度、污染底泥厚度、洁净底泥厚度、RCM、RCM吸附能力和覆盖层的种类对污染物穿越污染底泥原位覆盖系统中覆盖层的影响。分析结果表明:覆盖层的自重会导致底泥固结,进而极大的加速了污染物的流出,忽略底泥固结会极大地低估污染物的流出,尤其是在固结发生期间,这一低估的数值甚至高达数万倍;覆盖层、污染底泥和洁净底泥中任一厚度地增加均会加强底泥固结效应的影响。在原位覆盖系统中加入RCM后能显著减小污染物的流出,并且能减弱底泥固结效应的影响。RCM的吸附能力越强,污染物流出得越慢,并且底泥固结效应减弱的幅度越大。考虑吸附效应的黏土覆盖层的防污性能要好于砂土覆盖层,而不考虑吸附效应的黏土覆盖层的防污性能要次于砂土覆盖层。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X131.3

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本文编号：2820169