土体固结变形与污染物运移耦合模型研究结题摘要

在多种环境岩土工程项目的运营机理中，都包含了两类过程，一是物理化学过程（主要是污染物的运移过程和污染物的稀释过程）,二是岩土体的力学变化过程（主要是渗流过程和固结过程）。过去环境专业和土力学专业的学者们分别作了很多研究，但对两类过程的相互耦合作用研究不够。目前对污染物在土层中运移规律的研究较少考虑土体固结变形的影响，但这却又是个非常现实的问题，在实际工程中应该考虑荷载作用的影响。本项目基于比奥固结理论和污染物运移理论，建立了污染物在固结变形土体中的一维运移模型,采用有限差分法对模型进行了数值求解。针对不同的吸附模式，研究了防渗层固结变形及吸附参数对污染物运移规律的影响，并对比分析了考虑土体固结变形与不考虑土体固结变形对污染物运移规律造成的差异。主要研究内容及结论如下： （1）建立了考虑土体固结变形的污染物运移模型，采用数值积分方法推导出了所建定解问题的有限差分格式，并用能量法对所建差分格式的稳定性进行了证明。 （2）污染源浓度恒定且源源不断供给情况下，在特定时刻土层中污染物浓度随着深度的增加而逐渐减小，固结压力越大，污染物的运移深度就越小，并且某一深度处污染物浓度随着时间的增加逐渐积累并最终达到污染源浓度值。另外无论采用何种吸附模式，当选取的吸附参数使得土颗粒的吸附能力逐渐增强时，在相同的运移时间内，污染物运移深度逐渐减小，且某一深度处污染物浓度达到源浓度所需的时间逐渐增加。吸附参数取值的不同对污染物运移规律的影响随吸附能力的增强而逐渐减弱。 （3）污染源浓度随时间呈指数规律衰减情况下，在特定时刻土层中污染物浓度随深度先增加后减小，在某一深度处达到峰值浓度，浓度峰值随固结压力增大而减小。同时某一深度处污染物浓度随着时间增加也呈现出先增大后减小的规律，并在某一时刻达到峰值浓度，且浓度峰值随固结压力增大而减小，达到峰值浓度所需时间逐渐增大。另外随着土体吸附能力的提高，污染物运移深度逐渐减小，某一深度处污染物浓度随时间变化曲线的峰值浓度逐渐减小，并且达到峰值浓度所需的时间逐渐增加。 2100433B

在多种环境岩土工程项目的运营机理中，都包含了两类过程，一是物理化学过程（主要是污染物的运移过程和污染物的稀释过程）,二是岩土体的力学变化过程（主要是渗流过程和固结过程）。过去环境专业和土力学专业的学者们分别作了很多研究，但对两类过程的相互耦合作用研究不够。需要对基本理论、描述方程、基本参数和工程规律进行系统性的研究。本项目拟通过室内试验、理论建模和数值模拟对土体固结变形和污染物运移耦合模型进行研究，室内试验能够考虑固结变形对污染物运移的影响，建立比奥固结理论与污染物运移理论相耦合模型，并用数值方法进行求解得出所建模型的数值解,从而揭示污染物在变形土体中的运移转化规律。该项目的研究对于软弱土层地区或堆场防渗系统的设计以及环境安全性评价具有重要的理论意义和实用价值。

在污染物迁移模型中考虑土体固结的耦合影响是近年来的一个重要研究方向。天然黏土常用在废弃物堆场等防渗基础并易发生大变形固结，传统的小变形理论不适应于该情况。项目在研究黏土防渗层中污染物运移和转化规律时，分别考虑了一维的Gibson大变形固结模型和多维的连续介质大变形固结模型，以克服以往不考虑固结变形或采用小变形假定的局限性。主要研究内容包括：（1）基于Gibson一维大变形固结理论和饱和多孔介质中的污染物对流扩散方程，建立了二者耦合的可变形多孔介质中污染物的运移和转化模型，其中首次考虑了土体自重和生物降解作用的影响；（2）利用所建立耦合模型的数值解，研究了在可变形黏土防渗层中的污染物运移和转化规律，同时分析了模型中不同项和主要参数的作用和影响；（3）在多维化模型方面，基于饱和土体表征体元完善了多维大变形固结模型，再根据固液两相污染物质量守恒等，建立Lagrangian描述和Eulerian描述污染物多维迁移模型及控制方程；（4）接着基于商业软件平台，模拟分析了动态土柱试验，结果与室内试验数据吻合较好，然后重点对二维条件下粘土大变形固结与污染物迁移耦合进行了模拟分析，其中按ALE法进行大变形处理。主要结果和结论有：（1）土体大变形对黏土防渗层中污染物的运移有着较复杂的影响，一方面土体变形会加速污染物运移，另一方面土体固结带来的渗透性减小会增加污染物的穿透时间，二者的不同作用取决于众多的影响因素，如土层厚度和吸附作用等；（2）不考虑荷载时，土体吸附系数和孔隙率对污染物迁移的影响相对较大，而土体扩散系数和弥散系数对污染物迁移影响相对较小，而考虑土体荷载时，土体孔隙率对污染物迁移影响最大，土体吸附系数对污染物迁移影响次之，扩散系数对污染物迁移影响较小；（3）随着荷载增加，土体固结变形也相应增加，污染物迁移范围随之明显扩大，大、小变形法分析结果差别也随之增大；大变形理论相比于小变形理论，得出的污染物迁移深度较大，说明大变形分析下填埋场防渗能力弱于小变形分析结果；（4）在填埋场防渗层设计中，若填埋场底部承受较大荷载，应考虑渗透系数对污染物迁移深度影响增大的效应，而当渗滤液浸润线较高时，填埋场黏土层中部污染物后期迁移深度大于两侧。大变形固结与污染物迁移耦合分析，对于地下水污染物控制和保护水环境，意义重大，需要加强研究。 2100433B

在污染物迁移模型中考虑土体固结的耦合影响是国际上近年来的一个重要发展方向。天然黏土常用作废弃物堆场等防渗基础并易发生大变形固结。现有大变形固结与污染物迁移耦合模型由于采用Gibson固结理论而存在一维局限性和保守体系的不足，与实际工程情况出入较大。拟首先按连续介质有限变形理论，采用饱和土表征体元概念并考虑多维变形客观性要求，建立Eulerian和Lagrangian描述的多维大变形固结与污染物迁移耦合模型；再基于非保守体系固体力学大变形拟变分原理的推广形式，发展多维固结与迁移耦合拟变分原理和虚功方程，研究相应的Lagrangian和ALE描述的有限元法并编制程序。通过土柱试验、固结试验和三轴固结诱发迁移试验，研究一维和多维大变形固结对污染物迁移的影响规律，以及溶质迁移对大变形应力场和渗流场本构模型的耦合影响；结合理论模拟与试验结果对比分析，验证和完善理论模型合理性并分析传统模型的适用范围。

土体固结指土体在外荷载作用下，土体内部水、气缓慢地排出，体积逐渐减小，在土体自重作用下沉降趋于稳定，这一现象称为土体的固结。