DNAPL—土相互作用下饱和黏性土的微结构演化与渗透特性研究

DNAPL is referred to as dense non-aqueous phase liquid contaminant. It can travel vertically in soil with DNAPL-water two phase flow and make deep pollution. The permeability of the saturate clay sediments widely distributed in eastern and southern costal regions have important impact on the transport, storage and remediation of the DNAPL produced by large number of faculties in these areas. In this research project, interactions between three typical DNAPLs (HCB, BHC and TCE) and saturate clays on the soil microstructure and permeability will be investigated in detail. Sample preparation by geotechnical centrifuge, advanced microstructure analysis techniques, and various theoretical methods, will be used to study the characteristics and mechanics of the change of clay microstructure，and also the pore distribution model. Two-phase flow permeability test instrument will be developed and used to study the permeability of DNAPL-water flow in saturate clay. Based on capillary model and multiphase flow theory in porous media, mathematical models of DNAPL-water two phase flow in saturate clay, which considering the evolution of clay microstructure, will be developed. This project has significant scientific values on the research of the permeability of DNAPL contaminated clay and the related enviromental problems.

DNAPL—密度大于水的不溶性有机液体污染物，可在饱和带中以DANPL-水两相流的形式向下迁移造成深部水土污染。我国东南沿海地区广泛分布的饱和黏性土的渗透特性对工业活动中大量DNAPL污染物的迁移、赋存乃至修复均有重要影响。本项目对三种典型DNAPL（六氯苯、六六六和三氯乙烯）与土相互作用导致的饱和粘性土的微结构演化以及由此造成的复杂渗透特性开展系统而深入的试验与理论研究。采用土工离心机制备污染土样，以及先进的微结构分析技术和多学科理论，研究DNAPL-土相互作用下饱和黏性土的微结构演化规律及孔隙分布模型；研发饱和粘性土两相流渗透试验系统，研究DNAPL-土相互作用下饱和黏性土中DNAPL-水两相流的渗透特性；基于多孔介质毛细管渗透模型和多相流渗透理论，研究考虑微结构演化的饱和粘性土DNAPL-水两相流渗透数学模型。本项目对这类污染土的渗透特性研究及环境问题解决具有重要的科学价值。

我国东南沿海地区广泛分布的饱和黏性土，不乏深部DNAPL污染的案例。 目前对DNAPL在饱和黏性土中的深部迁移以及与土的相互作用仍然存在不少疑问和争论。 本项目对DNAPL与饱和粘性土相互作用下的微结构演化以及由此造成的复杂渗透特性开展试验与理论研究。主要研究内容以及取得的关键成果总结如下：. （1) 研究了DNAPL-土相互作用下（尤其是长期相互作用下）饱和黏性土的微结构演化规律及机理。原状软土在长期浸泡下主要表现出脱水收缩或开裂的现象。有机液体的介电常数是决定性的因素，具有较低介电常数的有机液体的絮凝化更为明显。土性对相互作用具有一定的影响，含水率越大，塑性越高，相互作用越明显。相互作用机理总体上可以通过有效应力原理来解释，净吸引力的增加导致絮凝、收缩以及开裂现象，大孔隙的含量增多。 . （2）研发饱和粘性土两相流渗透试验系统，研究DNAPL-土相互作用下饱和黏性土中DNAPL-水两相流渗透特性。发现刚性壁试验中非常容易出现土样侧向收缩而导致侧壁渗漏，常规的观测手段难以判别这种渗漏，影响试验结果的可靠性。施加竖向加载可以在一定程度上限制土样的侧向收缩。由于污染物的含量较小，现场污染土和浸泡污染土的渗透特性的变化并不明显，增大幅度在10%以内。注入NAPL的渗透试验结果表明，DNAPL完全可以进入沿海地区的典型饱和黏性土，渗透系数较水的渗透系数要小一个数量级，但由于其渗透的有效孔隙较少，实际的渗透速度仍然可观。. 3) 结合典型工程案例以及数值分析，研究饱和黏性土地区的DNAPL迁移的规律以及赋存特性。DNAPL在饱和黏性土中存在典型的深部聚集现象。结构性的软土的相互作用要弱一些，并不会显著改变其渗透特性，但在长期作用下仍然具有改变孔隙结构而影响其赋存特性的可能性。基于两相流流渗透理论的数值分析表明，两相流是造成深部污染的主要原因，而不是机械弥散。除非是致密的结构，一般软土难以阻止DNAPL的深部迁移。这与欧美一些地方报道的DNAPL难以进入饱和黏性土中的观点并不一致。