黏土屏障重金属迁移离心模拟相似性及击穿时间评估方法

发布时间：2017-07-07 22:12

  本文关键词：黏土屏障重金属迁移离心模拟相似性及击穿时间评估方法

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【摘要】：固废堆场及污染场地污染控制工程中防污屏障的长期服役时间需达数十甚至上百年。目前防污屏障被污染物击穿时间主要是采用解析模型或数值方法进行预测和评估,预测结果缺乏长时间尺度的现场实测数据或者模型试验的验证。为了能有效模拟防污屏障的长期服役性能,本文以黏土屏障和重金属Pb2+为研究对象,采用batch试验、扩散试验、1g土柱试验、离心模型试验等对Pb2+迁移超重力离心模拟相似性进行了系统研究,提出了基于离心模型缩时试验的防污屏障击穿时间评估方法,并首次开展了历时72小时(对应原型21年)Pb2+击穿黏土屏障离心模型试验,获得了以下研究成果：(1)发明了一套用于黏土防污屏障污染物迁移离心模拟的试验装置,由常水头保持装置(马氏瓶)、模型筒、安装有差压传感器和电导率仪的底部出流收集及监测装置三部分组成。马氏瓶可实现超重力状态下自动补水及水位稳定,底部出流收集及监测装置可实现超重力环境下防污屏障模型试验渗流量及出流浓度实时监测。(2)分析了离心加速度不均匀对土柱模型中渗透力和土压力的影响。结果表明：对于ZJU-400g.t离心机,当模型高度小于90cm时,由加速度不均匀导致的模型与原型应力的误差可忽略。确定了模型的等效离心半径。根据模型渗透系数控制在10-7cm/s以下的要求,确定高岭土土柱模型制备的最大固结应力为400kPa,使模型在离心机内为超固结状态,可降低离心力固结对试验中污染物迁移过程的影响。(3)以高岭土和惰性污染物氯离子为材料,开展了高岭土重塑试样的纯扩散试验、常重力(1g)和超重力(25-50g)下不同渗流速度土柱试验,得到了模型的弥散度以及水动力弥散系数Dh与流速vs的关系,分析了机械弥散作用的相似性：当Pe是基于弥散度定义时,可沿用前人提出的临界Pe数(即Pe=1)来判别高岭土中氯离子弥散作用的离心模拟相似性；当Pe数是基于平均粒径定义时,用于判别高岭土中弥散作用相似性的临界Pe数远小于1。针对垃圾填埋场可能遇到水头差(0-40m),当离心机加速度低于100g时,其击穿时间模拟误差不超过24%。(4)基于batch试验、土柱扩散试验、1g土柱试验和离心模型试验结果,分析了土水比、渗流速度等对高岭土吸附Pb2+的影响：高土水比对应的土柱状态高岭土所表现出的吸附性能小于低土水比对应的散粒状态高岭土；模型流速从0增大到5.67×10-7m/s时,高岭土对Pb2+的阻滞因子凡从12.5减小为8,流速在5.67×10-7m/s～14.8×10-7m/s之间,Rd基本不变,建立阻滞因子Rd与渗流速度vs的关系。离心模型试验用于低渗透性高岭土衬垫Pb2+击穿时间模拟时,吸附作用不完全满足相似,模拟得到的击穿时间偏小,可根据Rd-vs的关系修正吸附作用导致的误差。(5)提出了基于离心模型缩时试验的防污屏障击穿时间评估方法：计算模型选择能反映粘土吸附行为的一维对流-弥散模型,边界条件选择宜根据现场实际情况确定；分子扩散系数采用土柱扩散试验确定,采用惰性离子土柱试验确定试验室土柱的弥散度,现场原型的弥散度采用经验公式确定,吸附模式及参数采用一批不同源浓度的短土柱全击穿试验确定；最后采用代表性工况下离心模型缩时试验进行验证。开展了72小时Pb2+迁移离心模型试验,模拟了Pb2+在黏土衬垫中的21年迁移过程,验证了击穿时间评估方法的可靠性。(6)利用上述击穿时间评估方法,分析了源溶液浓度、吸附模式以及水头对均质黏土防污屏障击穿时间的影响,获得以下结论：1)减小污染源浓度有利于延长击穿时间,但其效果与吸附模式有关：源浓度从1000mg/L降为10mg/L,击穿时间分别增加了0.6年(Freundlich模型)、5.3年(线性)、13.3年(Langmuir模型)；2)吸附模式对于屏障的防污性能影响非常明显：Langmuir模型对应的绝对击穿时间是线性吸附模型的2倍以上,是Freundlich模型的12.8倍以上；3)考虑流速减小可增加屏障材料的吸附时,30cm水头对应的绝对击穿时间约为10m的4倍以上,减小水头能有效增大击穿时间。(7)获得了HDPE膜-膨润土复合防污帷幕三层结构一维扩散解析解,分析了HDPE膜-膨润土间分配系数Sgf,膨润土阻滞因子Rd和膨润土墙厚度对复合防污帷幕击穿时间的影响,得到以下结论：HDPE膜对分配系数小的亲水性有机物有良好的阻滞作用,而分配系数大的疏水性有机物在HDPE膜中则扩散较快；膨润土的阻滞因子凡对屏障防污性能影响较大,Rd从3.3提高至30,击穿时间增大为原来的8.6倍；屏障厚度对复合屏障防污性能影响很大,屏障厚度从0.6m增大到1.2m,击穿时间增大为原来的3.8倍。
【关键词】：防污屏障 高岭土 污染物迁移 离心模拟 机械弥散 吸附作用 相似性 击穿时间
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X705;TU43
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-16
• 符号清单和术语表16-17
• 第1章 绪论17-33
• 1.1 研究背景17-18
• 1.2 防污屏障技术简介18-20
• 1.3 防污屏障服役性能研究现状20-23
• 1.4 污染物迁移物理模型试验技术应用现状23-24
• 1.5 污染物迁移离心模型试验技术研究现状24-29
• 1.5.1 污染物迁移离心模型相似原理24-26
• 1.5.2 污染物迁移离心模型相似性研究现状26-28
• 1.5.3 吸附作用相关问题研究现状28-29
• 1.6 本文的主要研究工作及技术路线29-33
• 1.6.1 问题的提出29-30
• 1.6.2 研究技术路线30-31
• 1.6.3 研究内容31-33
• 第2章 防污屏障中污染物迁移理论模型及分析方法33-67
• 2.1 前言33
• 2.2 污染物迁移的机理33-41
• 2.2.1 对流作用33-34
• 2.2.2 分子扩散作用34
• 2.2.3 机械弥散作用34-35
• 2.2.4 吸附作用35-37
• 2.2.5 污染物迁移控制方程37-41
• 2.3 均匀介质中不同边界条件下一维对流-弥散-线性吸附作用解析解41-52
• 2.3.1 前言41-42
• 2.3.2 解析模型介绍42-45
• 2.3.3 不同边界模型比较45-51
• 2.3.4 边界条件应用讨论51-52
• 2.4 一维非线性吸附模拟方法52-57
• 2.4.1 前言52-53
• 2.4.2 差分法介绍53-55
• 2.4.3 商业软件介绍55-57
• 2.5 土工膜复合竖向屏障解析模拟方法57-65
• 2.5.1 前言57-58
• 2.5.2 解析模型58-60
• 2.5.3 模型求解及验证60-65
• 2.6 本章小结65-67
• 第3章 黏土屏障中污染物迁移模型试验材料及装置设计67-93
• 3.1 模型试验材料67-72
• 3.1.1 前言67
• 3.1.2 试验材料选择及参数介绍67-72
• 3.2 试验装置及仪器72-81
• 3.2.1 前言72-73
• 3.2.2 模型试验装置及测试分析仪器73-81
• 3.3 试验量测仪器的标定81-85
• 3.3.1 电极标定81-83
• 3.3.2 1g状态下差压传感器标定83-85
• 3.4 离心试验装置在超重力离心状态下的性能测试及验证85-92
• 3.4.1 马氏瓶在离心状态下的性能测试85-88
• 3.4.2 底部出流收集及监测装置在离心状态下的性能测试88-92
• 3.5 本章小结92-93
• 第4章 NG离心状态下粘土屏障模型应力及固结分析93-117
• 4.1 前言93
• 4.2 离心模型内部应力分析和等效离心半径的确定93-102
• 4.2.1 考虑离心加速度沿深度变化的土压力分析93-96
• 4.2.2 考虑离心加速度沿深度变化的渗透力分析96-100
• 4.2.3 等效半径(等效离心加速度)确定100-102
• 4.3 离心状态下模型固结分析102-114
• 4.3.1 低固结模型分析102-112
• 4.3.2 超固结模型分析112-114
• 4.3.3 固结分析及对试验的指导意义114
• 4.4 高渗透力下水力劈裂分析114-116
• 4.5 本章小结116-117
• 第5章 黏土屏障中污染物迁移离心模拟相似性试验研究方案及方法117-133
• 5.1 试验方案设计117-118
• 5.2 试验方法介绍118-125
• 5.2.1 屏障模型制备方法118-121
• 5.2.2 Batch试验方法121-122
• 5.2.3 扩散试验方法122-123
• 5.2.4 1g土柱试验方法123-124
• 5.2.5 Ng离心模型试验方法124-125
• 5.3 迁移试验后土柱浓度分析方法125-130
• 5.3.1 前言125-127
• 5.3.2 氯离子浓度分析方法127
• 5.3.3 重金属离子浓度分析方法127-130
• 5.4 本章小结130-133
• 第6章 黏土屏障中机械弥散作用离心模拟相似性试验研究133-151
• 6.1 试验工况介绍133
• 6.2 氯离子纯扩散试验结果及分析133-137
• 6.2.1 扩散试验参数及结果133-134
• 6.2.2 扩散试验结果模拟边界确定134-136
• 6.2.3 扩散试验结果分析与讨论136-137
• 6.3 氯离子1G和NG离心土柱试验137-145
• 6.3.1 土柱试验参数及结果137-139
• 6.3.2 土柱试验结果模拟边界确定139-144
• 6.3.3 试验结果分析与讨论144-145
• 6.4 低渗透性粘土机械弥散作用相似性讨论145-149
• 6.5 本章小结149-151
• 第7章 黏土屏障中吸附作用离心模拟相似性试验研究151-171
• 7.1 试验工况介绍151-152
• 7.2 BATCH试验结果与讨论152-157
• 7.2.1 不同反应时间吸附试验152-153
• 7.2.2 等温平衡吸附试验153-157
• 7.3 土柱状态试验中吸附作用拟合分析157-158
• 7.4 土柱扩散试验结果与讨论158-160
• 7.4.1 扩散试验参数158
• 7.4.2 扩散试验结果及分析158-160
• 7.5 不同水头的1G和NG离心土柱试验160-167
• 7.5.1 重金属离子迁移试验组模型参数160-161
• 7.5.2 试验结果161-162
• 7.5.3 试验结果分析162-164
• 7.5.4 流速对Pb~(2+)吸附的影响讨论164-167
• 7.6 低渗透性粘土吸附作用离心模拟相似性讨论167-168
• 7.7 本章小结168-171
• 第8章 基于离心模型缩时试验的防污屏障击穿时间评估方法及应用171-209
• 8.1 前言171
• 8.2 屏障击穿时间定义171-172
• 8.3 防污屏障性能影响因素及规律分析172-184
• 8.3.1 考虑线性吸附的对流-弥散模型的影响因素及规律分析173-175
• 8.3.2 考虑Freundlich模型的对流-弥散的影响因素及规律分析175-178
• 8.3.3 考虑Langmuir模型的对流-弥散的影响因素及规律分析178-181
• 8.3.4 最大吸附量相同的不同吸附模型对迁移行为的影响分析181-183
• 8.3.5 总结与讨论183-184
• 8.4 以一维迁移为主的水平和竖向屏障击穿时间评估方法184-191
• 8.4.1 基于模型试验的击穿时间评估方法184-187
• 8.4.3 黏土衬垫击穿时间的72h离心模型试验验证187-191
• 8.5 实际场地防污屏障击穿时间分析191-206
• 8.5.1 均质黏土屏障击穿时间分析191-199
• 8.5.2 复合竖向屏障击穿时间分析199-206
• 8.6 本章小结206-209
• 第9章 结论与展望209-213
• 9.1 主要结论209-211
• 9.2 进一步研究展望211-213
• 参考文献213-229
• 作者简历及发表论文情况229
• 学习经历229
• 攻读博士学位期间科研成果229

【参考文献】

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本文编号：532012