基于混合物理論的污染物輸運(yùn)模型研究.pdf

1、粘土墊層是堆填場(chǎng)的重要組成部分，由于其滲透率很低，可起到隔離污染物與周圍環(huán)境的作用，從而避免造成對(duì)周圍環(huán)境的污染。因此，應(yīng)對(duì)污染物在堆填場(chǎng)墊層中的輸運(yùn)機(jī)理及過(guò)程進(jìn)行研究，從而為設(shè)計(jì)和建造堆填場(chǎng)提供重要依據(jù)。由于防滲粘土墊層材料本身的多尺度結(jié)構(gòu)特性以及所處的多場(chǎng)(溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及變形場(chǎng)等)耦合的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，污染物在墊層中的輸運(yùn)過(guò)程伴隨著復(fù)雜的相互作用。外場(chǎng)作用不僅可以誘發(fā)污染物輸運(yùn)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程，還可能通過(guò)改變土體的固有輸

2、運(yùn)特性而影響污染物在其中的輸運(yùn)。因此，有必要建立多場(chǎng)耦合的污染物輸運(yùn)模型來(lái)描述粘土墊層中的污染物輸運(yùn)過(guò)程。而傳統(tǒng)的作法是假設(shè)墊層為剛性體，采用對(duì)流-彌散模型并添加考慮生物化學(xué)反應(yīng)的源相來(lái)描述污染物在墊層中的輸運(yùn)過(guò)程。但這種方法無(wú)法描述粘土墊層中復(fù)雜的多場(chǎng)作用。而上世紀(jì)六七十年代發(fā)展起來(lái)混合物理論，可以統(tǒng)一地描述多相孔隙介質(zhì)中復(fù)雜的相互作用以及它在外力和環(huán)境作用下的響應(yīng)，并可以得到針對(duì)材料性質(zhì)的更具有一般性的本構(gòu)方程，從而建立閉合的場(chǎng)方程

3、系統(tǒng)。本文從混合物理論出發(fā)，建立熱-水力-化學(xué)-力學(xué)的污染物輸運(yùn)模型，并且對(duì)所建立的模型進(jìn)行計(jì)算和分析，為設(shè)計(jì)和建造堆填場(chǎng)的粘土墊層系統(tǒng)提供一定參考。主要的研究成果包括：
　　 (1)將膨脹性土體看作由粘土礦物、吸附液相以及體積液相組成的多組分多層次結(jié)構(gòu)的混合物。從混合物理論出發(fā)，根據(jù)混合物的質(zhì)量、動(dòng)量以及能量守恒方程，并通過(guò)熱力學(xué)第二定律以及本構(gòu)假設(shè)，得到一般性的描述變形、滲流、擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)等現(xiàn)象的本構(gòu)關(guān)系，從而建立了適用于

4、多組分膨脹性介質(zhì)的混合物理論。并通過(guò)引入內(nèi)變量考慮土層中發(fā)生的塑性響應(yīng)。此理論框架可用于描述在熱-水力-化學(xué)-力學(xué)完全耦合作用下土層中污染物的輸運(yùn)過(guò)程，可體現(xiàn)熱-水力-化學(xué)-力學(xué)作用下的耦合輸運(yùn)現(xiàn)象、組分之間的質(zhì)量交換作用以及土體固有輸運(yùn)性質(zhì)的變化對(duì)整個(gè)污染物輸運(yùn)過(guò)程的影響。
　　 (2)考慮土體材料的微轉(zhuǎn)動(dòng)性質(zhì)，將系統(tǒng)看作由多組分彈性固體骨架以及多組分粘性流體組成的微極性材料，建立具有微極性的多組分多孔介質(zhì)材料的混合物理論。此

5、時(shí)除了質(zhì)量、動(dòng)量以及能量平衡還應(yīng)當(dāng)考慮動(dòng)量矩的平衡，同樣通過(guò)熱力學(xué)第二定律以及針對(duì)此系統(tǒng)的本構(gòu)假設(shè)，建立了構(gòu)建微極性多組分多孔介質(zhì)材料的一般性本構(gòu)關(guān)系的框架，得到了閉合的場(chǎng)方程系統(tǒng)。
　　 (3)根據(jù)第二章所建立的理論框架，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的土體建立滲透系數(shù)和彌散系數(shù)受彈性變形影響的水力-力學(xué)耦合的一維污染物輸運(yùn)模型。將數(shù)學(xué)模型無(wú)量綱化，采用Crank-Nicolson有限差分法對(duì)模型求解，并進(jìn)行參數(shù)分析，研究了與變

6、形有關(guān)的無(wú)量綱參數(shù)Pc變化時(shí)污染物在土體中的輸運(yùn)情況，并與不考慮土體固有輸運(yùn)性質(zhì)變化的情況作了對(duì)比分析。
　　 (4)針對(duì)墊層中土工膜出現(xiàn)孔型缺陷的情況，由理論框架出發(fā)建立滲透系數(shù)和彌散系數(shù)受彈塑性變形影響的水力-力學(xué)耦合的三維污染物輸運(yùn)模型。采用了滿足熱力學(xué)定律的ALPHA彈塑性本構(gòu)模型的耗散勢(shì)能函數(shù)。為考慮土體的三維變形情況，基于SMP準(zhǔn)則將ALPHA彈塑性本構(gòu)模型三維化，并對(duì)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立ALPH

7、A-SMP彈塑性本構(gòu)模型的有限元子程序，通過(guò)簡(jiǎn)化的三維模型，計(jì)算并分析了不同缺陷尺寸以及初始擴(kuò)散系數(shù)下土體中污染物的輸運(yùn)情況。
　　 (5)根據(jù)第二章所建立的理論框架，但不考慮熱作用，建立描述水力-化學(xué)-力學(xué)耦合作用下粘土層中污染物輸運(yùn)過(guò)程的模型。將滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)設(shè)為孔隙率的函數(shù)，因此模型考慮了水力-化學(xué)-力學(xué)耦合作用下變形對(duì)土層固有輸運(yùn)性質(zhì)的影響。對(duì)土層中流動(dòng)現(xiàn)象的模擬采用水力-化學(xué)耦合的對(duì)流、擴(kuò)散通量，因此，模型除了可以

8、描述流體對(duì)流和組分?jǐn)U散現(xiàn)象外，還可以描述化學(xué)滲透和反滲透現(xiàn)象。將模型簡(jiǎn)化為一維情況，在雙面排水條件下進(jìn)行計(jì)算和參數(shù)分析，研究了上覆荷載、擴(kuò)散-固結(jié)參數(shù)、化學(xué)-力學(xué)固結(jié)參數(shù)、化學(xué)解吸附作用、有效化學(xué)滲透系數(shù)變化對(duì)土體中污染物輸運(yùn)過(guò)程的影響。
　　 (6)根據(jù)第二章所建立理論框架，建立描述熱-水力-化學(xué)-力學(xué)耦合作用下粘土層中污染物輸運(yùn)過(guò)程的模型。將滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)設(shè)為孔隙率的函數(shù)，因此模型考慮了熱-水力-化學(xué)-力學(xué)耦合作用下變形