基于微观分析的填埋场GCL中运移规律的理论研究

论文摘要

人工合成材料粘土衬垫（GCL）用于垃圾填埋场衬垫材料时具有厚度小、防渗性能好、有较好的自愈能力和能承受较大不均匀沉降等优点，但是容易受到渗滤液成分和浓度的影响，对其防渗性能有一定的威胁。应力状态等外界条件的变化使得GCL中膨润土孔隙比有较大的变化范围，对水和污染物在GCL中的运移也有较大的影响。目前对于GCL及膨润土中运移参数的研究主要采用宏观试验方法，存在试验时间长、试验结果受试验终止指标影响等问题，而运移参数的计算没有充分考虑膨润土的微观结构特征，使得化学相容性等问题的研究存在一些困难。从微观角度对运移参数进行分析对于GCL的研制和应用有重要意义。本文以GCL中起防渗作用的主要材料—膨润土为研究对象，在微观结构观察和分析的基础上，推导出运移参数的计算公式，对膨润土在孔隙比和孔隙溶液浓度变化时渗透系数和扩散系数的变化规律进行研究，并对GCL复合衬垫中污染物的运移进行计算和分析。本文的主要研究工作包括： 1．对GCL中常用的膨润土微观结构特征进行定量研究，分析孔隙分布和形态特征等随干密度和孔隙溶液浓度的变化规律。并用表观孔隙率和粒内孔隙比表征膨润土的微观结构特征，得到表观孔隙率和粒内孔隙比随干密度和CaCl2溶液浓度的变化公式，为运移参数的定量研究打下基础。 2．将膨润土看作双重结构，推导粒间孔隙中凝胶态蒙脱石矿物层间距离的计算公式，基于Poiseuille公式得到膨润土饱和渗透系数的改进计算方法。得到膨润土饱和渗透系数随孔隙比和渗滤液浓度的变化公式。 3．将微观结构作为媒介，建立扩散系数与渗透系数之间的关系，得到扩散系数计算公式。用扩散试验结果对扩散系数计算公式进行验证，并得到扩散系数随孔隙比的变化公式。 4．在运移参数随孔隙比变化公式的基础上，用数值计算方法分析加载过程对GCL复合衬垫缺陷处污染物运移的影响，并对GCL复合衬垫与CCL复合衬垫的等效性进行评价，明确GCL复合衬垫的适用条件。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 渗透系数研究
• 1.2.2 扩散系数研究
• 1.2.3 污染物运移计算
• 1.2.4 国内对衬垫中污染物运移的研究
• 1.2.5 膨润土微观结构及运移参数与微观结构关系研究
• 1.3 研究目的和研究内容
• 第二章 膨润土孔隙的微观分析
• 2.1 概述
• 2.2 膨润土孔隙的微观分析方法
• 2.2.1 试验思路和手段
• 2.2.2 试验材料
• 2.2.3 试验方法
• 2.2.4 微观结构定量分析方法
• 2.3 膨润土孔隙的微观结构特征及讨论
• 2.3.1 干密度的变化对孔隙的影响
• 2.3.2 初始水化液对孔隙的影响
• 2.3.3 污染物浓度的变化对孔隙的影响
• 2.3.4 不同成分的溶液对孔隙的影响
• 2.3.5 孔隙尺寸（水力半径）的统计分析
• 2.4 膨润土微观结构SEM观察中的表观孔隙率和粒内孔隙比研究
• 2.4.1 不同干密度膨润土微观结构SEM观察时的表观孔隙率分析
• 2.4.2 关于表观孔隙率的讨论
• 2.4.3 其他状态下膨润土的表观孔隙率
• 2.5 本章小结
• 第三章 膨润土饱和渗透系数计算
• 3.1 概述
• 3.2 GCL和膨润土饱和渗透系数的微观计算方法
• 3.2.1 理论基础
• 3.2.2 分形几何方法
• 3.2.3 两层蒙脱石矿物之间渗透系数的计算
• 3.3 本文采用的渗透系数计算方法
• 3.3.1 采用水力半径平方的均值计算
• 3.3.2 考虑膨润土微观结构不均匀性的渗透系数计算
• 3.4 水渗滤时膨润土饱和渗透系数与孔隙比等的关系
• 3.4.1 用水力半径平方的均值计算渗透系数
• 2计算渗透系数'>3.4.2 用d和d₂计算渗透系数
• 3.4.3 用分形方法计算渗透系数
• 3.4.4 讨论
• 3.5 膨润土化学相容性分析
• 3.5.1 研究思路
• 3.5.2 预先水化条件下渗透系数计算值与实测值的比较
• 3.5.3 讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 膨润土中溶质扩散系数分析
• 4.1 概述
• 4.2 膨润土中溶质的扩散
• 4.3 膨润土中离子扩散系数计算公式
• 4.4 膨润土中离子的吸附和扩散试验
• 4.4.1 吸附试验
• 4.4.2 扩散试验
• 4.4.3 扩散系数求取
• 4.4.4 阻滞系数的选取对扩散系数拟合结果的影响
• 4.5 扩散系数计算公式的验证及分析
• 4.5.1 用实测扩散系数验证扩散系数计算公式
• 4.5.2 讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 GCL复合衬垫缺陷处污染物运移计算
• 5.1 概述
• 5.2 考虑加载过程的GCL复合衬垫中污染物运移计算
• 5.2.1 数学模型的建立
• 5.2.2 计算方法、计算参数及分析内容
• 5.2.3 计算结果及分析
• 5.3 GCL复合衬垫与CCL复合衬垫的等效性分析
• 5.3.1 衬垫等效性评价指标的选择
• 5.3.2 计算模型和参数
• 5.3.3 影响等效性的因素分析
• 5.3.4 GCL复合衬垫的有效性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读博士期间发表的学术论文