多孔介质中的水-热作用效应及污染物迁移特征研究

摘要

多孔介质中热(thermal)、水(hydraulic)、力(mechanical)以及污染物运移(contaminant migration)多场耦合响应特征的研究在评价和预测各类工程对环境的影响方面有重要的研究意义，是当前环境岩土工程迫切需要解决的问题。本研究以国内外相关研究为基础，推导出热-水-力-运移多场问题的基本控制方程。并通过与已有研究成果的对比，验证控制方程的可行性及正确性。利用设计的多场耦合室内试验装置，对黏土在不同初始饱和度情形下升温-降温过程中温度及含水率的动态耦合响应特性进行研究。主要研究内容包括:
　　(1)针对污染物运移问题，首先根据Freundlich线性等温吸附模型的物理含义，提出了一个非均衡吸附的理论模型;依据累计质量分数及相对浓度，有效地对污染物运移中的吸附程度进行评价。其次，采用离散化方法，将渗流速度及污染物浓度随时间变化的非稳态情形近似为较短时间内的稳态问题，继而利用稳态情形的解析解，得到了均衡吸附时非稳态情形下污染物运移问题的近似解;并推导出了非稳态情形下非均衡吸附问题的近似解。最后，基于上述模型提出了一个描述污染物运移中非线性吸附解吸情形的理论模型，并以悬浮颗粒穿透土柱试验为依托，对试验数据进行拟合。
　　(2)利用普遍采用的土水特征曲线VG模型中饱和度与孔隙水压力及孔隙气压力之间的关系，并基于热力学和热弹性以及非饱和多孔介质渗流理论，推导出了热-水-力三场耦合作用的控制方程，并给出相应的状态方程。且与已有研究成果对比，验证了其可行性及正确性。基于非饱和情形时热-水-力三场耦合作用的控制方程，得到了饱和情形下耦合的控制方程。综合考虑温度及孔隙水压力对排水弹性模量的影响，对弹性模量进行修正，并给出其表达式。同时利用已有的热固结试验，验证上述理论模型的可行性及正确性。讨论不同固结过程中孔隙水压力、平均体应变及体应变的演化特征。
　　(3)另，针对饱和度沿土层深度分布不同的现象，进一步分析了热驱动作用下不同初始饱和度对渗流场、温度场和位移场间耦合响应的影响，并对其影响过程进行简单阐述。利用室内试验，研究分析黏土在不同初始饱和度情形下升温降温过程中，温度场及渗流场的动态响应特征。通过上述理论模型对试验数据进行拟合。数值分析核废料处置库中水-热作用效应下，近场围岩中温度场、应力场、孔隙水压力场及核素浓度的分布及变化。并针对缓冲层在不同初始饱和度、固化体在不同释热强度情形下，热-水-力及污染物运移耦合响应特征分析。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 THM耦合问题

1．2．2污染物运移问题

1．2．3热水力及污染物运移耦合问题

1．3理论基础

1．3．1 Darcy定律

1．3．2土水特征曲线

1．3．3热力学理论

1．3．4有效应力原理

1．3．5水动力弥散理论

1．3．6单相流体连续性方程

1．4研究内容和方法

1．4．1主要内容

1．4．2方法及路线

1．5创新点

2 饱和多孔介质中污染物迁移特征分析

2．1 线性非均衡吸附模型的理论推导

2．1．1 控制方程及解析解求解

2．1．2非稳态渗流问题求解

2．1．3非均衡吸附问题求解

2．1．4算例分析

2．2线性非均衡吸附模型的数值模拟及特征分析

2．2．1数值计算模型

2．2．2计算结果及运移特征分析

2．3 非线性非均衡吸附模型的建立及验证

2．3．1 理论模型的建立及验证

2．3．2试验数据分析

2．4 小结

3 饱和多孔介质中水-热作用效应及响应特征分析

3．1热固结耦合控制方程

3．1．1热流固耦合方程

3．1．2非线性弹性分析

3．1．3状态方程

3．2热固结中的水-热效应及耦合响应特征分析

3．2．1计算模型及参数

3．2．2计算结果分析

3．3 水-热效应对污染物迁移过程的影响

3．3．1 饱和多孔介质中污染物运移方程

3．3．2 问题描述及数值计算模型建立

3．3．3数值计算结果分析

3．4小结

4非饱和多孔介质中水-热作用效应及响应特征分析

4．1 THM耦合控制方程及状态方程

4．1．1 控制方程

4．1．2持水特性(修正VG模型)

4．1．3状态方程

4．2水-热作用效应及响应特征分析

4．2．1算例及控制方程验证

4．2．2初始饱和度随深度呈不同分布时的响应分析

4．3粘土中水-热耦合响应过程的试验研究

4．3．1 试验材料

4．3．2试验仪器和方法

4．3．3试验结果分析和讨论

4．4小结

5 非饱和多孔介质中水-热效应对污染物运移的影响

5．1．2热-水-力耦合方程

5．2数值分析模型的建立

5．2．1物理模型

5．2．2模型参数的选取

5．3结果分析

5．3．1 温度场、渗流场和应力场响应特征分析

5．3．2 水-热作用效应对污染物运移影响分析

5．4小结

6结论与展望

6．1主要结论

6．2进一步研究工作的展望与建议

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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