粘土-裂隙间水量交换试验研究

摘要

裂隙为污染物(或降雨)入渗和土体中水分的蒸发提供了重要的优势通道。裂隙与土体之间水量交换的定义为在渗透和蒸发条件下水在裂隙与土体之间的相互运动,其包括渗透和蒸发两种形式，渗透形式的水量交换是裂隙中优势流的重要形式，以水量交换率进行数学描述。而目前的研究主要针对砂土中的圆柱形裂隙，对于粘土中平板裂隙与粘土间的水量交换率试验研究还处于空白。其主要的难点包括以下两个方面：粘土中的裂隙宽度会随着土体含水量的变化而开裂或者闭合；粘土中的裂隙宽度通常较小。对于蒸发形式的水量交换试验研究，目前研究得到的主要结论是裂隙的存在能够显著增加土体的蒸发量，但对于裂隙如何具体影响土体蒸发的研究还比较少。其主要困难是影响土体蒸发的因素众多，即包括自然因素又包括土体自身因素，因此很难建立一个准确计算单独由裂隙产生的蒸发量的数学模型。
　　本文针对粘土中裂隙的特点设计了一套试验装置，通过含水量传感器和张力计等测量系统，定量地计算了粘土-裂隙间的水量交换率，并得到了粘土-裂隙间的界面渗透系数。同时研究了土体初始含水量和裂隙宽度对渗透形式试验水量交换率的影响。研究发现对于具有不同初始含水量的土体，其水量交换率在渗透初期最大，随着土体中基质吸力的降低而降低，粘土-裂隙间的界面渗透系数比土体的饱和渗透系数大一个数量级。不同裂隙宽度的土体，其水量交换率也是在渗透初期最大，随着土体中基质吸力的降低而降低。粘土与裂隙间的界面渗透系数也比土体的饱和渗透系数大一个数量级。当土体中裂隙宽度不同时，渗透初期不同裂隙宽度土体的水量交换率相差较大，随着渗透的进行，这种差别逐渐变小，最后水量交换率趋于稳定。
　　本文针对含裂隙土体蒸发的特点设计了一套试验装置，通过含水量传感器和张力计测量系统，定量地研究了土体初始含水量和裂隙宽度对土体蒸发量和蒸发过程中裂隙周围土体含水量变化的影响。研究发现对于不同裂隙宽度和不同初始含水量的土体，土体蒸发量在蒸发初期最大，随着蒸发的进行迅速降低，最后趋于稳定。裂隙周围土体的含水量在竖直方向随着土体深度的增加而增加，在同一水平方向随着距裂隙中心距离的增加而增加。土体中裂隙越大，土体的蒸发量也越大，土体初始含水量越接近土体最优含水量，土体的蒸发量越大。

目录

第1章绪 论

1.1 课题背景及研究目的

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 水量交换率计算模型

1.2.2 渗透条件下水量交换试验研究

1.2.3 蒸发条件下水量交换试验研究

1.2.4 国内外文献综述简析

1.3 本文研究的主要内容

第2章 试验材料和试验装置

2.1 试验用土的基本物理指标

2.2 试验方案

2.3 试验装置

2.3.1 单裂隙稳定渗流试验装置

2.3.2 单裂隙蒸发试验装置

2.4 制样方法和试验过程

2.4.1 单裂隙稳定渗流试验

2.4.2 单裂隙蒸发试验

2.5 本章小结

第3章 渗透条件下水量交换试验研究

3.1 土体初始含水量对水量交换的影响

3.1.1 湿润锋

3.1.2 含水量和吸力

3.1.3 水量变化率

3.1.4 水量交换率

3.2 裂隙宽度对水量交换的影响

3.2.1 裂隙宽度对湿润锋的影响

3.2.2 裂隙宽度对土体含水量和吸力的影响

3.2.3 裂隙宽度对水量变化率的影响

3.2.4 裂隙宽度对水量交换率的影响

3.3 本章小结

第4章 蒸发条件下水量交换试验研究

4.1 裂隙宽度对水量交换的影响

4.1.1无人工裂隙蒸发试验

4.1.2裂隙宽度为1mm的蒸发试验

4.1.3裂隙宽度为5mm的蒸发试验

4.2 土体初始含水量对水量交换的影响

4.2.1 裂隙周围土体含水量

4.2.2 土体蒸发量

4.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢