咸淡水交替对含水层渗透性能影响机制试验研究

摘要

在本论文中，以济阳、商河等半干旱地区作为研究区。在了解区域内咸水形成的矿体地质特征和水文地质条件的基础上，研究了咸淡水交替过程中含水层渗透性的变化特征，并分析了影响含水层渗透系数等水文地质参数变化的因素。受气候、地下水动力条件和古沉积环境的影响，咸水主要分布在易干旱的华北、西北以及沿海地带。目前，国内外对海水（滨海咸水）入侵的研究相对成熟，而对大陆盐化咸水的研究相对薄弱。大陆盐化咸水不同于滨海咸水，它是在特定的地质历史条件下形成的。虽然在开发体系下历经长期降水淋滤和人类活动的影响，但是内陆浅层淡水与咸水依然并存，咸淡水过渡带必定会来回地摆动（咸水和淡水互相驱替），同时伴随着复杂的水文地球化学作用和胶体过程，所以这种移动就有可能在咸淡水界面形成垂直于地下水流的低渗透带，而现有的界面移动理论大都是把含水层的渗透性作为常数来处理的，这显然是不科学的。
　　 为此，本课题以半干旱地区为研究对象，选取土样和水样，并设计咸淡水交替定水头试验装置，来进行模拟野外咸水区和淡水区相互驱替的过程。通过不同条件下的模拟控制试验，系统地研究咸淡界面粘粒释放、温度等对含水层渗透性变化的影响，这对于半干旱地区咸水入侵的预测和防治都具有非常重要的理论意义和实用价值，这正是本课题所要研究的重点内容，也是本论文的创新所在。通过咸淡水交替动力学试验，将野外调查、室内试验相结合，探讨咸淡水交替过程对含水层渗透性能的影响，可以得出结论如下:
　　 (1)含水介质渗透系数与有效孔隙体积之间有密切的关系，有效孔隙体积越大含水介质的渗透系数也越大。在本文试验研究中，含水介质的体积为1645.97cm3，孔隙度为45.47％，孔隙体积为748.46cm3。
　　 (2)在咸水穿透土柱过程中，弥散系数为4.88×10-8m2/s;在淡水驱替咸水过程中，弥散系数为3.12×10-7m2/s。研究表明:弥散系数与渗透系数的变化有密切联系，渗透系数变化影响弥散系数，渗透系数变化越快弥散系数越大。
　　 (3)在咸水驱替淡水阶段，渗透系数会随着渗出液携带大部分粘粒流出土柱而缓慢增大。随着试验的进行，由于粘粒的释放减少，含水介质的渗透系数趋于稳定。已知粘滞系数与温度呈反比关系，粘滞系数会随着试验温度的下降而增大，从而导致含水介质渗透系数减小。然而试验数据显示，渗透系数不降反升，故在咸水驱替淡水阶段，温度的变化对渗透性的影响不起主导作用。
　　 (4)当试验进入淡水驱替咸水阶段后，开始时渗透系数从5.0m/d升至5.73m/d，增幅为14.7％。此时流速越大，含水介质中粘粒越容易从孔隙壁上脱落，粘粒的释放量也随之增大。而随着粘粒在含水介质中重新迁移和结合，孔隙介质出现阻塞，最终导致含水介质渗透系数的骤降，降幅为56.2％。在淡水驱替咸水阶段的第21～31天，试验环境温度的降低加速了渗透系数的减小。而随后时间内，渗透系数有升有降，总体上呈现波动上升趋势，最后稳定在5.45m/d。因此，在此阶段，温度的变化对渗透性的影响也不起主导作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 选题的背景和意义

1．3 研究现状和研究进展

1．3．1 渗透性能突变研究

1．3．2 粘粒释放研究

1．4 研究内容

1．5 研究方法和技术路线

第二章 含水层渗透机理及影响因子

2．1 液体在孔隙中的运动规律

2．1．1 定水头渗流试验

2．1．2 变水头渗透实验原理

2．1．3 渗透系数与渗透率关系

2．1．4 线性渗流定律的适用条件

2．2 地下水运动的非线性渗流定律

2．3 粘滞系数

第三章 试验内容与方法

3．1 试验原理

3．2 试验装置设计

3．3 试验材料及处理

3．3．1 制备土样

3．3．2 土样过筛及称量

3．3．3 土样颗粒分析

3．3．4 供试水样

3．4 试验方案和技术要求

3．5 试验过程

第四章 试验结果与分析

4．1 含水介质孔隙度的计算

4．1．1 含水介质的体积

4．1．2 含水介质孔隙度和孔隙体积的计算

4．2 咸淡水交替过程对弥散系数影响的定量分析

4．2．1 咸水穿透土柱时的弥散系数计算

4．2．2 淡水驱替咸水时的弥散系数计算

4．3 咸淡水交替过程对渗透系数影响的定量分析

4．3．1 咸水驱替淡水时渗透系数的计算

4．3．2 淡水驱替咸水时渗透系数的计算

4．4 咸淡水交替过程中渗透系数的影响因素研究

4．4．1 咸水驱替淡水阶段分析

4．4．2 淡水驱替咸水阶段分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录