超声波作用下饱和多孔介质中胶体加速迁移规律研究

The accelerated transport mechanism of colloid in saturated porous media considering ultrasonic wave effect is studied by column experiment. For this purpose, an apparatus which can control ultrasonic wave, apply confining pressure and adjust the height of soil column is developed. The colloid accelerated transport experiments under different ultrasonic wave conditions are conducted, and the evolution of colloid accelerated transport, colloid release, ultrasonic attenuation and temperature are analyzed with respect to different time. Different sizes of colloid transport in different height of soil column are studied, ultrasonic driving effect with distance and the "size effect" are analyzed. Based on the propagation of ultrasonic wave and colloid transport process, a theoretical model considering the coupled effects of ultrasonic wave, temperature, seepage velocity and deformation of the media are established. The solutions for the colloid accelerated transport problem with different transport distances and ultrasonic waves are obtained using Laplace and Fourier transform, and compare with experimental results. These studies can provide theoretical basis for various engineering such as the underground pollutant treatment, exploration of groundwater, nuclear waste disposal and land filling of municipal solid wastes, etc.

研制一个可控制超声波、施加围压以及调整高度的土柱压力室装置，研究超声波作用下饱和多孔介质中胶体加速迁移机理。进行不同超声波荷载下胶体加速迁移试验，分析变化超声波荷载情况下胶体迁移、胶体释放、超声波衰减以及温度等随时间的演化规律。研究不同粒径的胶体在不同高度土柱中的迁移特性，探索超声波对胶体的驱动效果随距离的变化规律以及胶体加速迁移的"粒径效应"。基于超声波的传播规律和胶体的迁移过程，建立一个考虑超声波效应、温度、渗流速度以及介质变形耦合影响的胶体加速迁移模型。利用Laplace和Fourier变换，对不同超声波荷载和不同迁移距离情况下的胶体加速迁移问题进行理论求解，并与室内试验结果比较分析。研究成果可为地下污染物治理、地下水开采、核废料处置以及城市固体废弃物填埋等工程提供理论基础。

自行研制了一种灵敏度高的超声波控制土柱压力室系统，该系统可满足对土柱施加超声波和围压、调节土柱高度以及测试土柱变形的需要。利用自行设计的试验装置，开展不断增大超声波激励颗粒释放迁移特性的试验，并就超声波激励颗粒迁移随渗流速度变化以及超声波对颗粒的驱动效果随距离的演化规律进行多种比较试验。其次，自行设计了一种振动控制非饱和土柱试验系统，用固定-自由型系统对土柱施加轴向激振和扭转激振，克服现有常规渗流试验设备不能考虑振动激励和饱和度的缺陷，可开展不同振动激励和土柱饱和度下渗流及污染物迁移特性试验、并且可调节围压、可对振动衰减频率以及土柱变形等进行精确控制和量测。理论研究方面，对经典的颗粒迁移模型进行修正，建立一种饱和多孔介质中颗粒释放-迁移模型，给出点源和线源形式下的瞬时释放和释放浓度按指数规律衰减情况的解析解。其次，建立考虑尺寸排除、沉积以及拦截等微观特性的颗粒三维加速迁移模型，通过数理方法对三维颗粒迁移模型进行解析求解，给出了颗粒浓度演化过程的解析表达式，讨论了不同时间、距离、沉积系数、弥散系数等因素对颗粒加速迁移特性的影响。此外，建立考虑吸附-解吸效应的颗粒加速迁移问题控制方程，利用多重Fourier变换、Laplace变换给出其在变换域上的解，继而通过其逆变换建立半无限大饱和多孔介质内颗粒瞬时和周期性注入情况下点源和面源问题的解析解的基本解，并将试验和理论计算结果进行对比分析。