多孔介质中悬浮颗粒的渗透迁移：孔隙结构和颗粒尺度效应

摘要

悬浮颗粒在饱和多孔介质中迁移与沉积特性的研究成为环境岩土工程领域研究的热点课题。这些研究在诸如地下水污染物迁移和扩散、地下水回灌、反滤层设计、石油开采、核废料处置和注浆加固等领域有重要的学术意义和应用价值。本文以稳态条件下颗粒迁移的对流弥散方程为基础，推导了非稳态均匀流条件下颗粒的对流弥散方程，得到了非稳态均匀流条件下颗粒在两种不同边界条件下对流弥散方程解析解。其次，通过室内土柱试验研究了孔隙结构、渗流速度、重力、颗粒尺寸分布等对颗粒迁移和沉积特性的影响规律和作用机制。另一方面，研制了可开展不同温度下颗粒渗透迁移的温控土柱渗透试验装置，并利用该装置进行了不同温度下颗粒穿透试验，揭示了温度对颗粒在饱和多孔介质中迁移和沉积的影响机制。最后，以聚丙烯酰胺颗粒为例，研究了其改性水泥土的强度和吸附重金属Pb2+的特性及聚丙烯酰胺对Pb2+在固化水泥土中的淋滤渗透特性的影响规律。主要的研究内容包括:
　　(1)以稳态条件下颗粒迁移的对流弥散方程为基础，推导了非稳态均匀流条件下饱和多孔介质中颗粒迁移的对流弥散方程，得到了两种不同边界条件下的解析解，并且对解析解中各种迁移参数进行了讨论。对不同情况的解析解的分析可知，随着时间、沉积系数或者迁移距离增大，颗粒的浓度峰值逐渐减小。
　　(2)对于大小和形状一定的颗粒来说，通过测试颗粒浊度来反映其浓度的变化能取得较好的结果。通过开展颗粒和示踪剂在两种不同孔隙结构多孔介质（玻璃球和石英砂）中和5种不同渗流速度下迁移的土柱渗透试验，基于一阶沉积动力学颗粒的对流弥散方程的解析解得到了颗粒及示踪剂的迁移参数，给出了孔隙结构和渗流速度对颗粒在饱和多孔介质中迁移规律影响的内在机制，揭示了颗粒在两种介质中加速效应的物理机制，表明颗粒在两种介质中加速效应均存在一个临界渗流速度，大于该流速时颗粒运移要快于示踪剂，并且两种介质中相应的临界流速不同。
　　(3)开展了4种不同粒径分布的颗粒（其中一种由另外三种按等体积混杂得到）在5种渗流速度和两种渗流方向（垂直向下与垂直向上）的室内土柱试验，探究了颗粒粒径、尺寸分布及重力对颗粒在饱和多孔介质中的迁移规律。证实了颗粒的穿透曲线可以很好的用考虑弥散作用修正后的对流弥散方程解析解描述拟合;给出了颗粒粒径、尺寸分布、渗流速度对颗粒出流浓度的影响规律和机理，探究了重力对颗粒出流浓度、运移参数的影响作用;研究了颗粒弥散系数与孔隙水流速的关系，给出了颗粒弥散度与中位粒径关系的经验公式。
　　(4)利用自行研制的可开展不同温度下颗粒渗透迁移的温控土柱渗透试验装置，对水源热泵回灌过程中起主导因素的大于10μm的范围较广的6种不同中位粒径颗粒进行了4种不同温度和3种不同渗流速度下的土柱渗流试验。同时探讨了不同温度下颗粒与示踪剂的迁移规律的差异性;得到了温度对饱和多孔介质中颗粒迁移和沉积的影响规律和作用机制;分析了温度对颗粒加速效应的影响机理;基于理论解析解得到运移参数，揭示了温度与各运移参数的内在关系，并给出了温度与运移参数关系的经验公式。此外，探讨了测量条件不同（温度，静置时间）对硅粉颗粒浊度和荧光素钠的荧光值测量的影响。
　　(5)以一种典型的颗粒聚丙烯酰胺为例，探究了其改性水泥土的强度特性，开展了聚丙烯酰胺颗粒固化水泥土对重金属Pb2+的吸附机理和淋滤穿透特性，揭示了温度对聚丙烯酰胺固化水泥土中Pb2+迁移的规律，结果表明聚丙烯酰胺水泥土对铅离子的等温吸附符合Freundlich吸附模型，聚丙烯酰胺(PAM)的掺入可以改变铅离子在水泥土吸附柱中的迁移规律。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 多孔介质中颗粒的迁移机理

1．3 多孔介质中悬浮颗粒吸附机理

1．4 饱和多孔介质中颗粒运动特性试验研究

1．4．1 多孔介质中颗粒迁移和沉积特性的试验研究

1．4．2 多孔介质中颗粒释放的试验研究

1．5 多孔介质中颗粒运动的理论模型及解析解研究

1．5．1 基本模型

1．5．2 阻塞模型

1．5．3 经验模型

1．5．4 现存模型的局限性

1．6 小结

1．7 研究目的和内容

1．8 创新点

2 非稳态均匀流下颗粒迁移问题的解析解

2．1 非稳态均匀流下颗粒迁移的对流-弥散方程求解

2．1．1 第一种边界条件下非稳态均匀流下颗粒迁移的解析解

2．1．2 第二种边界条件下非稳态均匀流下颗粒迁移的解析解

2．2 算例

2．2．1 第一种边界条件下的算例

2．2．2 第二种边界条件下的算例

2．3 本章小结

3 孔隙结构和水动力对颗粒迁移和沉积特性的影响

3．1 试验材料

3．1．1 多孔介质

3．1．2 注入的颗粒及示踪剂

3．2 试验仪器和试验方法

3．2．1 蠕动泵

3．2．2 浊度计

3．2．3 荧光分光光度计

3．2．4 试验方案

3．3 悬浮颗粒浓度和浊度的关系

3．4 颗粒迁移理论基础与方法

3．4．1 对流效应

3．4．2 分子扩散效应

3．4．3 机械弥散效应

3．4．4 水动力弥散效应

3．4．5 对流与弥散比较

3．4．6 数学理论模型

3．5 孔隙结构和水动力对悬浮颗粒迁移特性的影响

3．5．1 颗粒和示踪剂在典型流速下两种不同多孔介质的穿透曲线

3．5．2 渗流速度对颗粒弥散特性的影响

3．5．3 渗流速度对颗粒在两种介质中回收率的影响

3．5．4 渗流速度对悬浮颗粒的沉积动力学特性的影响

3．6 本章小结

4 颗粒分布特征和重力对颗粒迁移和沉积特性的影响

4．1 试验材料

4．1．2 注入的悬浮颗粒

4．2 试验仪器和试验方法

4．2．1 试验装置

4．2．2 试验方法

4．3 颗粒浓度和浊度的换算关系

4．4 颗粒尺寸分布和重力对其迁移特性的影响

4．4．1 数学模型

4．4．2 颗粒土柱穿透试验结果

4．4．3 渗流速度和中位粒径对颗粒弥散特性的影响

4．4．4 不同水力条件和粒径对颗粒沉积速率和回收率的影响

4．5 本章小结

5 温度对颗粒迁移和沉积特性的影响

5．1 试验材料

5．1．2 注入的悬浮颗粒和示踪剂

5．2 试验仪器和方法

5．2．1 温控渗透装置的特点

5．2．2 试验方法

5．2．3 试验过程及方案

5．2．4 浓度与浊度的换算关系

5．3 试验结果分析和讨论

5．3．1 不同测量条件对浊度和荧光值的影响

5．3．2 温度对悬浮颗粒迁移过程的影响

5．3．3 不同温度下颗粒的加速效应研究

5．3．4 温度对颗粒弥散特性的影响

5．3．5 温度对颗粒沉积系数的影响

5．3．6 温度对颗粒回收率的影响

5．4 本章小结

6 聚丙烯酰胺改性水泥土吸附Pb2+的渗透特性

6．1 水泥固化重金属污染土机理研究

6．2 温度对污染物迁移机理的影响

6．2．1 分子扩散作用

6．2．2 补给作用

6．3 聚丙烯胺颗粒在水泥土加固中的应用

6．3．1 土样的制备

6．3．2 聚丙烯酰胺对试样无侧限抗压强度的影响

6．4 聚丙烯胺颗粒对水泥土吸附、固化Pb2+的影响

6．4．1 铅离子溶液的配制

6．4．2 吸附试验

6．4．3 吸附试验结果分析

6．5 聚丙烯胺颗粒对Pb2+迁移的影响

6．5．1 淋滤渗透试验装置

6．5．2 淋滤渗透试验步骤

6．5．3 淋滤渗流试验结果与分析

6．6 本章小结

7 结论和展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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