黏土貫穿裂隙污染物遷移的實驗和數值模擬研究

曾 頡，顧正聰，黃 勇

黏土貫穿裂隙污染物遷移的實驗和數值模擬研究

曾 頡1，顧正聰2，黃 勇1

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.云南湖柏環保科技有限公司，云南 昆明 650034）

為研究裂隙黏土中的溶質運移，研制一套適用于裂隙黏土中溶質運移的實驗裝置，通過測定實驗裝置內示蹤劑溶液的電導率來監測溶質的運移規律。實驗結果發現模型底部監測孔處的滲出液濃度在短時間內就趨于穩定達到最大，表明黏土中裂隙的存在會使溶質順著裂隙快速穿過黏土層，形成優先流現象，從而對黏土層下部的水體造成污染。采用數值方法對室內試驗進行模擬分析，討論了提高水頭和改變巖土體兩種方法來進行預測，結果顯示黏土層上部水頭變化對黏土中的溶質濃度影響不大，且不同土體中如均出現貫穿型裂隙，那么污染物進入含水層的時間基本一致，防滲失效，這時改變防滲材料沒有意義。

裂隙黏土；飽和滲流實驗；溶質運移；優先流；數值模擬

壓實的黏土在完整、無損、無裂隙等情況下滲透性差，防滲效果好，可以有效地防止污染物滲入到地下水中[1]。但是由于施工或管理的原因使黏土中產生了裂隙[2]，溶質會沿著裂隙，以一種優先流[3]的形式，快速到達相對于黏土層底部，會造成污染物的集中滲漏現象。在這種情況下，黏土防滲層被擊穿的時間縮短，防滲效果減弱甚至缺失。前人為了在室內實驗測試黏性土中污染物遷移的有效彌散系數和吸附參數，Barone和Rowe等[4]研究了揮發性有機化合物在自然黏土中的遷移過程。Edil等[5]獲得了壓實黏土中有機污染物運移的彌散系數、吸附分布系數和降解系數。在室內實驗中污染物常采用示蹤劑來代替，模擬示蹤劑在裂隙和黏土基質間的運移轉化規律。黏土中污染物的運移問題主要采用數值模擬的方法進行研究。在研究土中污染物的運移規律時，Rowe和Booker[6-7]采用有限層法進行研究，Leo和Booker[8]采用邊界元法進行研究，余開彪和胡斌等[9]采用有限單元法進行靜態和動態研究。MattaX和Kvte[6]把有蠟涂層的玻璃板用氫氟酸腐蝕成所需的微模型裂隙；后來Davis和Jonas[7]用抗蝕劑取代了蠟涂層。本文采用室內實驗的方法來研究水流和溶質在裂隙黏土中的運移規律，探討優先流現象與黏土中裂隙的發育關系，并運用數值法模擬實驗，預測并分析了提高水頭和改變巖土體兩種情況時的溶質運移規律。

1 實驗裝置與方案

1.1 實驗裝置

實驗裝置由四部分組成，包括圓柱形模型裝置、定/變壓力系統、聯通導管和電導率測量裝置（探頭已固定于模型內）組成。實驗模擬一維條件下滲濾液滲漏穿過黏土層的情況，模型由高700 mm、直徑180 mm的圓柱體組成，裝置側面每隔50 mm設置一個直徑為5 mm的監測孔。從圓柱形模型裝置底部開始，依次裝入厚70 mm的礫石，170 mm的細砂，300 mm的黏土土樣，余下的160 mm作為臨時貯存示蹤劑溶液的區域（圖1）。

圖1 實驗裝置設計圖Fig.1 Design of experimental device

實驗時，由蠕動泵從原液池中不斷抽取示蹤劑注入頂部柱狀容器中，容器中示蹤劑保持固定的高度，多余的示蹤劑經過導流管回流到原液池中。為了研究黏土中裂隙對水流和溶質運移的影響，在圓柱形模型的黏砂土中設置5 mm寬的裂隙，裂隙和黏砂土層一樣高，均為300 mm，為貫穿型裂隙。

1.2 實驗步驟

（1）標準溶液的配置。在實驗室配制了濃度分別為0.1、0.5、1、5、10、20、30、40、50、60 g/L的NaCl溶液，并測定了這些溶液的電導，通過一元線性回歸，獲得溶液濃度和電導的關系式：

式中，C為NaCl溶液濃度（mg/L）；σ25為25℃時的電導率值（ms/cm）。

（2）土樣裝填。先把黏土土樣放入盆中，加水充分飽和、沉淀。在圓柱形模型底部依次裝入礫石和細砂，兩層之間鋪一層濾網，防止細砂進入礫石層。在砂層頂部鋪一層濾網，然后把制作好的裂隙放在裝置中間，與監測孔軸線垂直。在裂隙四周充填飽和含砂黏土，當裂隙與含砂黏土高度一樣時停止。土樣裝填完畢后，讓其靜止1～3天左右。

（3）加壓沉降。模型頂部用蓋子密封，往里加水，持續1～2周，待黏土沉降完全為止，然后把模型裝置里的水放干，再往里加入黏土，使其和裂隙一樣高，重復此步驟，直到黏土沉降不明顯為止。

（4）加入示蹤劑溶液進行實驗。

（5）測量監測孔中示蹤劑溶液的電導率。

1.3 稀釋法測量示蹤劑溶液的電導率

實驗過程中，由于監測孔滲出液的體積比較小，一般在0.5～1 ml左右，因此須先收集監測孔中的滲出液，用蒸餾水將其稀釋，測量稀釋液的電導率，根據式（2）換算出滲出液的電導率，其經驗計算公式為：

式中，σ1為監測孔滲出液的電導率；v1為監測孔滲出液的體積；σ2為蒸餾水的電導率；v2為蒸餾水的體積；σ為用蒸餾水稀釋后的稀釋液電導率。由于實驗中用100 mL的容量瓶對滲出液進行稀釋，因此監測孔滲出液體積與蒸餾水體積之和為100 mL，即v1+v2=100 mL。

實驗過程發現，將原溶液稀釋到100 mL，測其電導率，在利用式（2）計算出的原溶液電導率與原溶液的實際電導率有一定的偏差，一般偏大。本次實驗中采用配制標準溶液測定溶液稀釋前后的電導率來進行偏差校正。由此得出原溶液電導率與利用其稀釋液電導率換算出的原溶液電導率的關系式為：

式中，σ1為25℃時原溶液的電導率；σ為利用稀釋液的電導率換算出的原溶液電導率。

2 裂隙黏土中溶質運移數值模擬分析

2.1 模型離散

按照室內實驗圓柱形模型裝置的實際尺寸，采用Feflow軟件建立數值分析模型[10]，對模型采用三角形網格單元，將三維圓柱形模型剖分為59 360個節點，105 678個單元，網格剖分圖見圖2。

表1 模型參數反演值Tab.1 Inversion values of model parameters

圖2 模型網格剖分圖Fig.2 Meshing of the model

圖3 各監測孔處滲出液濃度實驗值與計算值對比Fig.3 Comparison of experimental and calculated values of exudate concentration at each monitoring hole

2.2 彌散參數計算

根據實測和計算的示蹤劑濃度，對模型進行多次調試計算得到黏土、裂隙和礫石層的相關參數（表1）。為了驗證模型的計算參數反演值的正確性，分別選取1#、4#和7#監測孔處示蹤劑濃度實驗值與計算濃度值進行比較（圖3）。

從圖3中可看出，模型計算值先增大，最后均趨于穩定，與實驗值吻合較好，表明可以用驗證的模型來預測示蹤劑在裂隙黏土中的遷移規律。

2.3 預測結果分析

（1）水頭變化對污染物遷移的影響

改變黏土層上部的水頭，分別為0.3、0.5、1、2 m四種工況，1#、3#和7#監測孔處的溶質濃度模擬計算結果見圖4。從圖中可以看出，隨著黏土層上部水頭的增大，各監測孔處的溶質濃度逐漸增加，但達到穩定的時間差別較大。1#和3#監測孔處的溶質濃度隨著黏土層上部水頭的增大而增大，7#監測孔處的溶質濃度變化趨勢基本一致，相差不大，在短時間內就趨近于原示蹤劑溶液濃度達到穩定。說明在貫穿型裂隙黏土中，黏土層上部水頭的變化對黏土中的溶質濃度分布有影響，對溶液順著裂隙穿過黏土層造成其下地下水的影響不大。

（2）土體滲透性對污染物遷移的影響

滲透系數分別取1×10-4、1×10-5、1×10-7、1×10-10m/s四種工況，1#、3#和7#監測孔處的溶質濃度模擬計算結果見圖5。從圖中可看出，隨著巖土體滲透系數的增大，相同時刻各監測孔處溶質的濃度也增大，但不同深度處的溶質濃度增加速度不一樣。隨著土層滲透系數的增大，土層中的溶質濃度趨近于原示蹤劑溶液濃度達到穩定的時間縮短。黏土滲透系數為1×10-4m/s時1#和3#監測孔處的溶質濃度變化最大，說明隨著黏土滲透系數的增大，相同時刻監測孔處的溶質濃度會增大；黏土滲透系數為1×10-7m/s和1×10-10m/s時1#和3#監測孔處的溶質濃度變化趨勢基本一致，說明滲透系數較小時對黏土中溶質的運移規律影響較小，裂隙導致的優先流對溶質的運移起著主導作用，黏土中的基質流不明顯；7#監測孔處的溶質濃度變化趨勢基本一致，說明黏土滲透系數變化對溶質運移規律的影響不大。

圖4 黏土層上部水頭變化時的模擬結果對比曲線圖Fig.4 Curve of the simulation results for different upper heads of clay layer

綜上所述，在貫穿型裂隙土層中，滲透系數的變化對黏土中的溶質濃度分布有影響，但對溶液順著裂隙穿過黏土層造成其地下水的影響不大。

3 結論

1）黏土中有裂隙存在時，溶質會順著裂隙快速穿過黏土層，形成優先流現象。

圖5 黏土滲透系數變化時的模擬結果對比曲線圖Fig.5 Curve of the simulation results for different clay permeability coefficients

2）預測結果顯示黏土層上部水頭變化對黏土中的溶質濃度有影響，但對裂隙和黏土層下部地下水體中的溶質濃度影響不大。由于貫穿裂隙的出現，污染物對不同巖土體內部的滲入速度有差異，但對不同巖土層下方的含水層污染速度基本一致，此時如通過改變防滲材料來減少污染物入滲沒有作用。

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（責任編輯 王利君）

Experimental and numerical simulation of movement of contaminants through cracks

ZENG Jie1,GU Zhengcong2,HUANG Yong1

(1.School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 210098, China;2. Yunnan Hubai Environmental Protection Technology Co., Ltd. Yunnan Kunming, 650034)

In order to study the solute transport in fissured clay, experimental apparatus for solute transport in fissured clay are developed based on previous saturated seepage experiments. The solute transport is monitored by measuring the conductivity of the tracer solution in the experimental setup law. The results show that the concentration of exudate in the bottom of the model tends to be stable in a short time, which indicates that the existence of cracks in the clay will cause the solute to pass through the clay layer rapidly and form preferential flow phenomena. The upper head of the clay layer has little effect on the solute concentration in the clay, and the effect of the water head is similar in the different soils.

fractured clay；saturated seepage flow；solute transport；preferential flow；numerical simulation

P64

A

1673-9469（2017）01-0072-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.016

2016-12-15

國家自然科學基金資助項目（41572209）

曾頡（1992-），男，江西贛州人，碩士，研究方向為水文地質。