化学-水力-力学全耦合效应下非饱和膨润土中污染物运移机理和数值模拟研究

Sanitary landfill is a multi-field coupling enviroment,when the conataminant infiltrate into the impermeable liner, the transport property of the liner would be changed and the contaminant transport process. The chemo-hydro-mechanical contaminant transport through the unsaturated bentonite theory frame is established based on the mixture theory to simulate this phenomenon.the mixture theory, developing from sixties and seventies, is an apriori theory used to describe the complex interior interaction of the mixture and the behavior of mixture under the exogenic and environment function. The general constitutive equations can be obtained through this theory. The general constitutive euqations can be simplied by the problem and the parameters in those euqation can be obtained according to the laboratory tests and the existing research results.The parameters of soil transport property can be expressed as the functions of effective void ratio to include the porous pore structure influenc on the soil transport property. Then the effective method is developed according to the established closed mathematic model.After that, the simulating resluts compare to the laboratory tests to verify the mathematic model.The factors influnce the liner impervious performance, for example, the line height, contaminant concentration, initial saturation, etc., analyze by the model through different schemes.

为了研究卫生填埋场多场耦合环境下污染物入渗对衬垫材料性质以及污染输运过程的影响，研究膨润土的性质以及污染物在其中的运移机理，从混合物理论出发建立描述化学-水力-力学耦合效应下非饱和膨润土污染物输运问题的理论框架。理论框架可考虑输运过程中的各种现象，以及各种现象之间的交互作用关系，得到描述这些现象的一般性本构方程。针对具体问题，可将本构方程进行一定简化，并根据室内实验和已有研究成果确定本构方程中的各个参数。通过室内实验和理论相结合将土体输运性质参数表示为土体有效孔隙比的函数以此考虑土体孔隙结构及饱和度的变化对土体固有输运性质的影响。根据所建立数学模型给出有效的数值求解方法。将求解结果与室内实验结果进行对比分析，对所建立的模型进行校验；通过不同的数值模拟方案，研究不同上覆应力、不同初始饱和度、不同土层厚度等因素对衬垫层防渗效果的影响，并比较考虑和不考虑土体输运性质的变化对污染物输运过程的影响。

本项目已前期关于填埋场防渗垫层中污染物运移的工作为基础，进一步针对防渗垫层主要材料之一的膨润土进行了多场耦合问题的研究。基于混合物理论，建立了非饱和膨润土的化学-水力-力学耦合本构模型，以更好地模拟污染物在填埋场防渗系统中的运移过程。主要工作分为以下5个部分：. 1）非饱和膨润土化学-水力-力学耦合污染物输运模型理论框架研究：将非饱和膨润土看作由粘土矿物、吸附液相、体积液相和体积气相组成的混合物（其中吸附液相和体积液相由污染物和水分组成），采用混合物理论建立了一般性方程：包括土体广义应力应变本构方程，土体气、液相渗流及组分扩散本构方程，以及质量转化方程，形成了化学-水力-力学耦合作用下非饱和膨润土污染物运移系统闭合。. 2）非饱和膨润土耦合应力应变本构模型研究：根据所建立的广义应力应变本构方程，确定净应力、基质吸力以及有效化学势为应力应变本构关系的独立变量。采用体积改变模型建立非饱和膨润土的本构模型，其中需要确定的参数有6个。采用土三轴试验以及土水特征曲线测试对非饱和膨润土的力学行为进行了研究，采用Fredlund-Xing方程对土水特征曲线进行了拟合。. 3）膨润土吸附模型研究：采用人工钠化膨润土以及氯化钙溶液进行了测试了膨润土的等温吸附曲线以及吸附动力学特征曲线。研究表明该钠化膨润土的等温吸附类型为非线性Ferundlcih吸附。而通过吸附动力学特征曲线，可确定了污染物质量转换方程中的质量转换特征时间。. 4）饱和-非饱和膨润土渗透性研究：采用常规三轴仪对不同干密度下的饱和膨润土的渗透系数进行了测定。非饱和膨润土的渗透系数采用间接计算的方法，通过饱和膨润土的渗透系数以及土水特征曲线相关参数进行确定。. 5）填埋场防渗性能数值模拟分析：利用所建立的数学模型基础上，并对填埋场的防渗垫层系统建立复合衬垫中存在缺陷时污染物的渗漏过程进行模拟，分析缺陷大小对防渗效果的影响。.