重塑黄土渗透性变化规律及其机制研究

Considering the great changes of hydrogeological setting caused by the large scale filling of valleys by removing the tops of loess mountains in several China cities, this research systematically studies the rules of the changes of the permeability and the corresponding microstructure of remolded loess, and the effects of hydrochemical reactions to the permeability changes, which are relatively weak in the current studies. The laboratory experiments, electron microscope scanning(SEM), image processing, hydrogeochemical modeling and groundwater modeling will by employed. The study focused on finding out the laws of the changes of the permeability of remolded loess with the age of the strata and the pore characteristics, and the laws of permeability changes of mixed loess of different ages, as well as laws of remolded loess when different proportions of fly ash and lime were added. The rules of the effects of the microstructure and pore characteristics of remolded loess, and the hydrochemical reactions to the permeability will be investigated. The formulae describing the relations between permeability and the effective porosity for various remolded loess will be formulated. The above theoretical results will be applied in the first-stage land creation project in Yan’an for verification and calibration using long term monitoring results of groundwater level and land subsidence data. All these studies will enrich loess hydrogeology, promote the development of loessology. The results of this study have broad application prospect in the various engineering construction projects in loes areas, such as land creation by removing mountain tops, dam engineering, and slope engineering.

以国内数个城市大规模削山造地工程中水文地质条件的重构为背景，针对重塑黄土渗透性变化研究中系统性研究、微观机制研究及水化学作用影响研究薄弱的问题，本课题采用室内实验、电镜扫描、图像处理、水文地球化学模拟、数值模拟等技术方法，全面研究典型地区重塑黄土渗透性随地层时代的变化规律、各层位黄土渗透性随（有效）孔隙度的变化规律、各层位黄土掺混及添加不同比例添加材料后其渗透性的变化规律；探讨重塑黄土微观结构、孔隙特征的变化对其渗透性的影响规律，深入分析水—土化学作用对重塑黄土渗透性的影响；在此基础上，建立各种类型重塑黄土渗透系数随（有效）孔隙度变化的定量关系式；并将理论研究成果应用于延安削山造地一期工程实际中，通过野外实测资料对其进行检验和校正。课题研究成果有助于丰富黄土水文地质学的研究内容，促进黄土学科的完善和发展，在黄土区各类工程建设、削山造地工程、土石坝工程、边坡工程等领域有着广阔的应用前景。

本项目采用现场调查、室内试验、原位试验、电镜扫描、数值模拟等技术方法，全面研究了重塑黄土渗透性随层位、水力坡度、温度等的变化规律，探讨了微生物以及掺混不同比例石灰对重塑黄土渗透性的影响，探索了重塑黄土渗透性与其微观结构、孔隙特征的关系，深入分析了水-土化学作用对重塑黄土渗透性的影响；在此基础上，建立了各类重塑黄土渗透系数随孔隙度变化的定量关系式，并将理论研究成果应用于延安削山造地一期工程实践中。通过项目发表学术论文29篇，其中中文核心期刊文章6篇，SCI论文23篇，在Springer出版专著章节1章，申请发明和实用新型专利8项。项目主要取得了6个方面的新认识，对延安削山造地工程提出了2条合理化建议。.六个方面的新认识：（1）无论是原状黄土还是重塑黄土，其渗透规律都不符合传统教科书中给出的达西定律，渗透存在一个起始水力坡度，而且大于该起始水力坡度后，并不遵循线性变化规律。（2）原状马兰黄土和离石黄土不是一种均质介质。（3）对于掺混一定比例石灰的重塑黄土，随着掺灰比的增大，渗透系数并没有呈现一致减小的规律，即实际工程中对黄土进行掺灰改良时，并非掺灰比越大越好。（4）在相同干密度下，各种不同条件下所制备的渗透性实验样品，渗透系数越大，其均匀性越好。（5）重塑黄土的干密度越小，温度对饱和渗透系数的影响越显著，常用的渗透系数温度校正公式在重塑黄土中适用性不好。（6）微生物对重塑黄土的渗透性有很大的影响，黄土中盐分的溶解及水-土化学反应对渗透系数也起到了重要的作用。.两条建议：（1）地面防水和地下排水相结合的是“削山造地”工程最有效的控水方案。（2）对于高边坡处地下水位的控制，采用蓄水池和抽水井相结合的方式，效果比较理想。课题研究成果有助于丰富黄土水文地质学的研究内容，促进黄土学科的完善和发展，在黄土区各类工程建设、削山造地工程、土石坝工程、边坡工程等领域有着广阔的应用前景。