压实黄土非饱和渗透系数试验研究

压实黄土非饱和渗透特性具有重要的工程意义。对不同干密度的压实黄土试样,采用非饱和导水率测定系统进行非饱和渗透系数量测,得到不同干密度压实黄土的渗透系数与吸力的关系。试验结果表明：渗透系数随吸力的增大而成非线性减小,随干密度的减小而增大;在低吸力时,干密度对渗透系数的影响较大;在较高吸力时,干密度对渗透系数的影响较小。进一步给出了压实黄土的渗透系数模型并进行回归分析,得到各Wind幂函数模型参数与干密度的关系,建立了基于干密度的压实黄土渗透系数的确定方法。     

单一裂隙优势渗流对黏土层防渗性能的影响分析

垃圾填埋体不均匀沉降等容易引起压实黏土防渗层开裂,显著降低其防渗性能。将裂隙作为高渗透性的多孔介质材料,建立了含单一裂隙压实黏土层的饱和/非饱和渗流模型,数值研究了含裂隙黏土层中的优势渗流过程,对比分析了裂隙位置、深度、宽度和渗透系数对压实黏土层水分击穿时间和稳定渗漏量的影响。结果表明,含裂隙压实黏土层的渗流过程可分为3个阶段：初始阶段、击穿阶段和稳定阶段;底部裂隙对压实黏土层防渗性能的影响较小,而顶部裂隙和贯通裂隙的影响较大;水分击穿时间随裂隙深度增大而迅速缩短,为保证黏土层防渗性能,宜将裂隙深度控制在0.1倍土层厚度以内;水分击穿时间和稳定渗漏量随裂隙宽度、渗透系数的增大而分别缩短和增加,且当其达到一定值后逐渐趋于稳定;裂隙贯通后将显著降低压实黏土层的防渗性能,其稳定渗漏量随裂隙宽度和渗透系数的增大而呈线性增长。     

渗滤液浸泡对深度脱水污泥强度和渗透性能的影响

为探讨深度脱水污泥作为垃圾填埋场覆盖材料在湿润气候区的服役性能,将杭州主城区污水处理厂处理后的深度脱水污泥分别在蒸馏水、渗滤液中浸泡一个月和两个月,测试其强度和渗透特性的变化规律,并与填埋场覆盖层常用的黏性土进行了对比。试验结果表明,相对于一般污泥,深度脱水污泥的无侧限抗压强度较高,但在渗滤液和蒸馏水中浸泡两个月后分别降低5.4%和18.9%。在蒸馏水和渗滤液中浸泡两个月的深度脱水污泥黏聚力有所降低,而有效内摩擦角提高约7.5°;在浸泡水和渗滤液后,脱水污泥的渗透系数提高约3～5倍。该深度脱水污泥应用于填埋场覆盖材料时,其强度达到城镇污水处理厂污泥填埋控制要求。     

压实度与制样含水率对压实黄土微结构及水力特性的影响

压实黄土的水力特性受微结构控制,而微结构受制样条件影响。为探究制样条件对压实黄土微结构、饱和渗透系数与土-水特征曲线的影响及机制,对不同制样条件下制备的压实黄土试样开展了压汞试验、变水头渗透试验和土-水特征曲线的测定,获得了它们的孔径分布曲线、饱和渗透系数及其随渗透次数的变化和土-水特征曲线。结果表明：（1）制样含水率通过影响集粒尺寸改变试样中的中孔（2 000 nm 相似文献   

填埋气体运移渗流场-应力场耦合模型及数值仿真

基于流固耦合机制和多孔介质流体动力学理论,根据Landgem产气方程、气体状态方程,结合达西定律、有效应力原理,建立了渗流场-应力场耦合填埋气体运移模型。利用伽辽金方法对模型进行了离散,通过有限元方法对耦合作用下填埋气体压力分布规律进行了数值仿真分析,同时对垃圾填埋变形介质参数以及垃圾降解系数对填埋气体产气量影响进行了定量评价,表明耦合作用下抽气时孔隙结构发生改变,阻滞气体的运移,导致耦合作用较未考虑耦合作用的气体压力低。垃圾填埋气体的产气量小,对变形介质参数和降解系数的定量评价结果表明,垃圾填埋气体的产气量随着渗透系数和降解系数的增大而增加,因此耦合作用不能忽略。这不仅为准确控制气体的挥发与扩散以及气体资源的再利用提供可靠的理论依据,而且对于生态环境的保护和垃圾资源化利用具有重要的理论意义和实际应用价值。     

确定渗析平衡时间的数值模拟方法

渗析法是一种测量非饱和土基质吸力的重要方法,而测量结果是否准确,控制渗析的时间非常重要。基于有限元数值分析软件SEEP/W,建立渗析法的数值模型,分析渗析的试验过程,研究溶液吸力、土样水力参数、初始重力含水率、初始干密度以及土样大小等因素对吸湿条件下非饱和黏土渗析平衡时间的影响。结果表明,随着渗析时间的增加,土样与溶液之间的吸力差逐渐变小,渗析过程变慢;试验用土样不宜过大,对于较小土样,多数条件下土样的渗析平衡时间约为1.5~8.0 d;当溶液吸力较大或土体饱和渗透系数较小时,渗析平衡时间大大增加;渗析平衡时间随土-水特征参数a、n、饱和渗透系数、初始含水率及干密度的增大而减小,随饱和体积含水率的增加而增加。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

重塑马兰黄土渗透性试验研究

为了研究干密度和初始含水率对重塑黄土渗透性的影响,对延安新区I期工程所取的重塑马兰黄土进行了饱和渗透试验。结果表明:在非饱和状态,干密度对饱和时间的影响最为显著,饱和时间随干密度的增大而增大,而初始含水率对饱和时间的影响不明显。重塑马兰黄土的渗透系数随着干密度的增大而减小,其关系可以拟合为幂函数关系。在一定干密度范围内,渗透系数随初始含水率的增大而减小,其关系可以用直线关系拟合。渗透系数与孔隙比之间可以用幂函数关系拟合,渗透系数随孔隙比的减小而减小。初始含水率、干密度以及孔隙比都是影响重塑黄土渗透性的重要因素,其主要是通过对试样微结构的影响而影响渗透系数。该研究对延安新区的工程建设具有一定的理论指导和实际应用价值。     

循环荷载下压实黄土动强度特性研究

移山填沟进行新区建设或修建机场, 是黄土地区应对建设用地不足而采取的一项新措施。进行压实黄土的动强度特性研究, 对高烈度黄土地区大规模移山填沟具有重要的理论和现实意义。本文利用GDS振动三轴仪对吕梁压实黄土的动强度特性进行了研究, 分析了含水率、干密度和加载频率对其动强度的影响规律。结果表明:压实黄土的动强度随含水率的增大而减小, 随干密度和加载频率的增加而增大; 含水率对压实黄土的动强度影响显著; 压实黄土的动强度随着振次的增加而减小, 用半对数坐标系下的直线方程拟合效果较好。     

温度对黄土水力学参数的影响研究

为探讨温度变化对黄土水力学参数的影响,利用自制的变温下饱和-非饱和水力学参数测定装置结合理论探讨,分析了不同温度下黄土的渗透系数、比容水量和扩散的变化规律。结果表明:黄土的饱和渗透系数随着温度的增加而递增,冻融交替循环次数也是影响饱和渗透系数的重要因素;黄土非饱和渗透系数和扩散率是温度和含水率的函数,而比水容量是含水率的函数。水动力黏滞系数随温度增加而减小是上述参数增大的关键因素。     

渗滤液水位以下垃圾体产气对孔隙压力影响研究

为了研究渗滤液水位以下产气对孔隙压力的影响,从孔隙气在渗滤液水位以下特定的流动状态出发,采用峰值产气模型,结合了达西定律、理想气体状态方程和多孔介质流体动力学理论,建立了渗滤液水位以下考虑产气作用的气液迁移模型。运用差分法对产气引起的气液迁移问题进行了数值求解。计算结果表明,渗滤液水位以下垃圾体的产气对孔隙压力的影响主要有渗滤液渗流引起的附加孔隙压力和水位升高引起的附加孔隙压力,按孔隙气所处阶段的不同可以分为孔隙气被封闭时孔压积聚阶段、孔隙气突破孔隙水封闭时的孔压急剧消散阶段以及由对流作用控制的气液运移阶段;高产气速率、高渗滤液水位和低渗透系数都会使得垃圾体内产生较高的孔隙压力;降低填埋场内渗滤液水位是减小产气对孔隙压力影响的有效措施。     

侵蚀性环境对地下结构渗透和力学特性影响研究

环境污染造成地下结构侵蚀劣化,使得地下结构面临严峻的长期稳定性问题。通过50 g/L Na2SO4溶液、50 g/L NaCl溶液以及含有50 g/L Na2SO4 + 50 g/L NaCl的垃圾渗滤液的浸泡侵蚀试验,研究了经上述溶液侵蚀后混凝土试样在不同围压下的气体渗透特性、氯离子渗透特性以及力学特性。结果表明：（1）经不同溶液侵蚀后试样的渗透率与所承受的围压大小密切相关。同一侵蚀时间下,随着围压的增大,渗透率逐渐减小。经垃圾渗滤液侵蚀后的试样渗透率随侵蚀时间线性增加,且围压越小,增大的速率越大;经硫酸钠溶液、氯化钠溶液侵蚀后的试样渗透率总体先减小后增大;经3种不同溶液侵蚀后,试样渗透率对应力的敏感程度均有所提高。（2）经3组溶液侵蚀后试样单轴抗压强度变化分为线性增加、缓慢下降两个阶段,但垃圾渗滤液侵蚀后的试样强度始终为最小值。弹性模量也呈现出相似的变化规律。（3）在同一侵蚀深度处,垃圾渗滤液侵蚀后的试样自由氯离子含量比氯化钠溶液侵蚀后的试样低20%～50%,垃圾渗滤液侵蚀下混凝土试样被氯离子侵蚀的程度比氯化钠溶液侵蚀下混凝土试样低。（4）气体渗透率随侵蚀的进行而变化最为明显,比单轴抗压强度、氯离子扩散系数更适用于评价地下混凝土结构长期稳定性。研究结果可为侵蚀性环境下地下结构长期稳定性分析提供理论依据。     

A model for gas pressure in layered landfills with horizontal gas collection systems

The recovery and emission of landfill gas (LFG) is an important topic in landfill management. To produce an effective engineering design for an LFG collection system, designers must understand the migration of gas from the waste body to horizontal extraction wells. This paper develops a two-dimensional analytical solution to enable the study of the gas pressure distribution, well pressure and recovery efficiency in layered landfills with horizontal wells. A horizontal layered structure is used to accommodate the non-homogeneity of various municipal solid waste (MSW) aspects with respect to depth, including gas generation, permeability and temperature. The governing equations, subject to boundary and continuity conditions, are solved by using separation of variables and double finite integral transforms. The solution was verified against another analytical solution and a numerical simulation. Subsequently, a sensitivity analysis of single-well model parameters is performed to optimize a double-well system. The results show that a landfill with horizontal collection systems cannot be assumed to be one dimensional with increasing well spacing. Additionally, both the operational vacuum and maximum gas pressure can be reduced through the design of a double- or multiple-well system. Therefore, the proposed solution can be used for the verification of more complex models and the preliminary design of a horizontal well system.     

铅污染对黄土宏观持水性能和微观结构演化的影响研究

垃圾填埋场渗滤液中的重金属与土体发生物理化学反应,可能导致土体微观结构的改变,重金属等有毒物质得以扩散、运移,威胁人体健康和周边环境。为探究重金属污染对黄土宏观持水性及微观结构的影响,采用轴平移技术测得铅污染黄土的土-水特征曲线。通过扫描电子显微镜（SEM）、压汞（MIP）、X射线衍射（XRD）和Zeta电位试验,阐明细观结构变化特征。结果表明：铅污染黄土的进气值随铅离子浓度的增加而减小,当铅污染浓度由0 mg/kg增加至2 000 mg/kg时,进气值从19.18 kPa下降至12.12 kPa;铅污染导致持水性能降低,渗透系数随铅离子浓度的增加而增加,饱和渗透系数从7.92×10–8 m/s增加到3.73×10–7 m/s;铅污染引起的物理化学反应及Zeta电位的降低导致絮凝结构形成,小孔隙占比减小,中孔隙占比增加;铅污染引起的微观结构演化与宏观持水性和渗透性具有良好的对应关系。该研究结果可为重金属污染场地非饱和渗流及溶质运移等问题的研究提供重要参数。     

考虑填埋场沉降和生物降解作用下的孔隙度仿真预测研究

垃圾填埋场上覆层的压缩以及自身的降解作用使内部孔隙结构发生了改变。沉降和生物化学反应的双重作用改变了填埋场原有孔隙度分布。将垃圾压缩变形和微生物降解所引起的产气过程相结合,建立了描述填埋场孔隙度-位移-气体压力相互作用的耦合数学模型,并给出了耦合模型的数值格式。通过数值计算得到了垃圾填埋体的沉降应变、孔隙度、孔隙渗透及扩散特性的变化规律。计算结果表明,填埋场运营前10年垃圾降解对孔隙度作用较明显,孔隙度呈线性增大,随后增大幅度减缓,达到峰值后逐渐减小,减小过程主要受垃圾沉降作用影响;不同成分的有机质含量对孔隙度的影响也存在差异;受有机质降解作用的影响,填埋约为190个月时固有渗透率可达到1.4 10-12 m2,Dg/D0可达到0.178。因此,开展填埋场沉降和生物降解作用下孔隙度的预测研究,对于评价填埋气体的有效控制以及填埋场安全指标体系的完善都具有重要的现实意义。     

柴达木盆地东部石炭系页岩气储层渗流特征研究

页岩气是一种潜在资源量巨大的非常规天然气资源,页岩气藏具有多尺度的孔渗结构及多种渗流形态,研究页岩气藏储渗特征能够为页岩气的勘探开发提供理论支撑。该研究选取了柴达木盆地东部石炭系克鲁克组与怀头他拉组的页岩钻井岩心共5个样品,应用氩离子抛光扫描电镜实验与孔径分布测试(包括压汞法、氮气吸附法、二氧化碳吸附法)对页岩的孔隙结构特征进行定性定量测试。基于页岩气质量流量渗流模型,给出页岩表观渗透率与平均压力的关系。通过甲烷渗流模拟实验测定页岩的表观渗透率。从表观渗透率随平均压力的变化特征出发,分析页岩储层中的气体渗流规律。研究结果表明：页岩气的渗流形态包括滑脱流、扩散流及达西流。在低压情况下,渗透率低的页岩中以扩散流为主,其次为滑脱流。随渗透率的增大,渗流主要形式转变为滑脱流。当压力大于2 MPa时渗流形态以达西流为主,滑脱与扩散行为不明显。研究区内页岩微孔与中孔发育较多,达西渗透率与大孔的孔隙体积相关性较大,扩散流对表观渗透率的贡献与50 nm以下的孔隙孔体积比例有一定的相关性。低压下扩散流对表观渗透率的贡献较大,扩散流是一种非常重要的页岩气运移形式。     

黄土作为西北地区填埋场覆盖层的可行性及设计厚度分析

中国西北地区气候以干旱和半干旱为主,黄土广泛分布。首先介绍了西北地区3个代表性城市近50 a的气候条件和3类黄土的粒径分布及储水能力,在此基础上利用Chen、Benson等提出的水量平衡分析方法对黄土土质覆盖层在我国西北地区应用的可行性进行了探讨,并计算分析了单一型黄土覆盖层的设计厚度。分析结果表明: 西北地区夏季高温多雨植被生长茂盛而冬季降雨较少,降水和腾发作用有较好的同步对应关系,适合土质覆盖层的应用。采用黄土作单一型土质覆盖层的设计厚度在0.54～1.92 m之间,从干旱、半干旱到半湿润气候区,设计厚度逐渐变厚,其具体设计厚度与气候条件和黄土种类密切相关;在同一气候区采用粉性黄土所需厚度最薄,而采用砂性黄土则最厚。西北地区采用黄土作填埋场终场土质覆盖层具有技术可行性和良好的经济效益,值得进一步开展工程实践和更深入的研究。     

软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯数值模拟及试验

水力冲孔是煤层瓦斯增透抽采的主要技术措施,其主要以出煤量考察卸压效果,但是也存在出煤量大、卸压不均一、应力易集中等问题。因此,提出软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术,考虑瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对本体变形的影响,建立应力场、裂隙场、渗流场耦合条件下的多物理场理论模型,并结合COMSOL数值模拟软件对软煤夹层水射流分支数、卸压影响范围内煤体的瓦斯压力和瓦斯含量变化规律进行了研究。研究表明:当水射流分支长半轴为2 m,短半轴为0.22 m时,水射流分支数为6个时较为合理;在相同出煤率情况下,相同时间内瓦斯压力和含量均随着与钻孔距离的增加而减小,抽采180 d,水射流层状卸压有效抽采半径约为常规水力冲孔有效抽采半径的2.14倍,且在有效影响范围2 m时,水射流层状卸压瓦斯含量降低量为7 m3/t,而常规水力冲孔瓦斯含量降低量为4.1 m3/t,水射流层状卸压瓦斯降低量为常规水力冲孔的1.71倍;在新义煤矿现场试验中发现,当水射流层状卸压出煤率为常规冲孔出煤率的0.29~0.71倍,抽采较高浓度瓦斯时长仍是常规水力冲孔的2倍。软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术的提出,对未来煤矿井下软煤夹层水力冲孔技术的发展有着重要的意义,为井下瓦斯的治理提供了新的方法和方向。      

城市垃圾填埋场甲烷资源量与利用前景

垃圾填埋气的主要成分为CH4、CO2等气体,可严重污染大气、地下水和生态环境,并对全球气候变暖产生一定的影响;同时填埋气也是一种清洁可再生能源和资源,回收和利用垃圾填埋气可实现环境、安全、能源、资源、经济多重效益。目前,垃圾填埋气的利用主要为甲烷利用。本文介绍了填埋气中甲烷资源量的计算方法,采用一阶动力模型对国内城市垃圾填埋气中的甲烷排放量进行了计算和预测,获得了城市生活垃圾填埋气中甲烷的资源量的范围,并分析了国内垃圾填埋气排放的特点和趋势以及国内外对填埋气利用的途径、方法及效果。结合清洁发展机制（CDM）项目和国情分析了垃圾填埋气的利用前景,并提出了填埋气回收利用的主要问题和建议,为国内城市生活垃圾填埋气的利用提供了有益参考。