基于混合物理論的污染物輸運模型研究.pdf

1、粘土墊層是堆填場的重要組成部分，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，從而避免造成對周圍環(huán)境的污染。因此，應對污染物在堆填場墊層中的輸運機理及過程進行研究，從而為設(shè)計和建造堆填場提供重要依據(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(溫度場、濃度場、滲流場以及變形場等)耦合的現(xiàn)場環(huán)境，污染物在墊層中的輸運過程伴隨著復雜的相互作用。外場作用不僅可以誘發(fā)污染物輸運的物理、化學和生物過程，還可能通過改變土體的固有輸

2、運特性而影響污染物在其中的輸運。因此，有必要建立多場耦合的污染物輸運模型來描述粘土墊層中的污染物輸運過程。而傳統(tǒng)的作法是假設(shè)墊層為剛性體，采用對流-彌散模型并添加考慮生物化學反應的源相來描述污染物在墊層中的輸運過程。但這種方法無法描述粘土墊層中復雜的多場作用。而上世紀六七十年代發(fā)展起來混合物理論，可以統(tǒng)一地描述多相孔隙介質(zhì)中復雜的相互作用以及它在外力和環(huán)境作用下的響應，并可以得到針對材料性質(zhì)的更具有一般性的本構(gòu)方程，從而建立閉合的場方程

3、系統(tǒng)。本文從混合物理論出發(fā)，建立熱-水力-化學-力學的污染物輸運模型，并且對所建立的模型進行計算和分析，為設(shè)計和建造堆填場的粘土墊層系統(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、動量以及能量守恒方程，并通過熱力學第二定律以及本構(gòu)假設(shè)，得到一般性的描述變形、滲流、擴散以及熱傳導等現(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。并通過引入內(nèi)變量考慮土層中發(fā)生的塑性響應。此理論框架可用于描述在熱-水力-化學-力學完全耦合作用下土層中污染物的輸運過程，可體現(xiàn)熱-水力-化學-力學作用下的耦合輸運現(xiàn)象、組分之間的質(zhì)量交換作用以及土體固有輸運性質(zhì)的變化對整個污染物輸運過程的影響。
　　 (2)考慮土體材料的微轉(zhuǎn)動性質(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、時除了質(zhì)量、動量以及能量平衡還應當考慮動量矩的平衡，同樣通過熱力學第二定律以及針對此系統(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，得到了閉合的場方程系統(tǒng)。
　　 (3)根據(jù)第二章所建立的理論框架，進行適當?shù)暮喕瑢o化學反應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-力學耦合的一維污染物輸運模型。將數(shù)學模型無量綱化，采用Crank-Nicolson有限差分法對模型求解，并進行參數(shù)分析，研究了與變

6、形有關(guān)的無量綱參數(shù)Pc變化時污染物在土體中的輸運情況，并與不考慮土體固有輸運性質(zhì)變化的情況作了對比分析。
　　 (4)針對墊層中土工膜出現(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-力學耦合的三維污染物輸運模型。采用了滿足熱力學定律的ALPHA彈塑性本構(gòu)模型的耗散勢能函數(shù)。為考慮土體的三維變形情況，基于SMP準則將ALPHA彈塑性本構(gòu)模型三維化，并對有限元軟件ABAQUS進行二次開發(fā)，建立ALPH

7、A-SMP彈塑性本構(gòu)模型的有限元子程序，通過簡化的三維模型，計算并分析了不同缺陷尺寸以及初始擴散系數(shù)下土體中污染物的輸運情況。
　　 (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-力學耦合作用下粘土層中污染物輸運過程的模型。將滲透系數(shù)、擴散系數(shù)設(shè)為孔隙率的函數(shù)，因此模型考慮了水力-化學-力學耦合作用下變形對土層固有輸運性質(zhì)的影響。對土層中流動現(xiàn)象的模擬采用水力-化學耦合的對流、擴散通量，因此，模型除了可以

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