弱透水层瞬态水力参数的地质统计反演识别研究

弱透水层释水变形伴随着水力参数(渗透系数K和贮水率Ss)的瞬态变化,传统的“移动窗口”式反演方法假定每个反演窗口的初始状态是静态的,这与弱透水层释水变形存在明显滞后效应的实际情况不符。本文提出了在高维参数反演优化情境下,时间域上模型参数的动态变化可与空间域上模型参数的一维非均质性等价,因而可用地质统计反演方法可用于识别弱透水层瞬态K和Ss的新思路,实现了该方法在水文地质领域的创新性应用。以上海越流含水层系统为例,运用似线性地质统计反演算法,高精度地拟合了F16分层标处的长观变形数据,获取了原位透镜体状弱透水层K和Ss的瞬态特征。反演结果显示,观测时段内K的变幅为1.02×10^(-5)~5.89×10^(-4)m/a,平均值为1.38×10^(-4)m/a,Ss的变幅为4.34×10^(-4)~6.02×10^(-3)m^(-1),平均值为2.65×10^(-3)m^(-1)。基于反演所得参数瞬态特征,分析原位弱透水层在1994年前后分别以弹性和塑性变形为主,弱透水层K呈现与含水层水位相反的季节性变化特征,该现象可能与渗流力作用下细粒物质在含水层与弱透水层透镜体交界面附近的对孔隙的阻塞和疏通作用有关。该方法可获取完整观测时段内水文地质参数的动态变化轨迹,在计算评价地表水-地下水交互领域的河床渗透性、原位修复领域的渗透反应墙渗透性等的动态演化特征方面具有潜在的应用价值,并可作为构建水文地质领域、岩土工程等领域有关本构模型的有效辅助手段。

考虑非达西流的弱透水层固结计算

由于成岩作用的影响,深部弱透水层中的黏性土较为坚硬、致密,在这种黏土层中的孔隙渗流规律有偏离达西定律的现象,而在现有的地面沉降研究中,对深部弱透水层的固结变形计算始终沿用以达西定律为基础的固结方程进行,这显然是与实际情况不相符的。鉴于此,以孔隙渗流为非达西流为基础,对太沙基一维固结方程进行了重新推导,并采用半解析法对非达西流-太沙基一维固结方程进行了求解。分别采用达西流-太沙基固结方程和非达西流-太沙基固结方程对同一固结问题进行了计算,结果表明,考虑非达西流后土层达到某一固结度所需的固结时间较之不考虑非达西流时明显增加了,而且固结时间增长的趋势与实测的增长趋势较为一致。

氨氮在弱透水层中的渗透迁移规律研究

通过渗透试验、吸附试验和高压动态土柱试验对氨氮在弱透水层中的渗透、迁移转化规律进行研究。试验结果表明,弱透水层对氨氮具有很强的吸附能力;弱透水层中生物作用微弱,弱透水层对氨氮的去除主要是非生物作用的结果;硬度或其他交换性离子的作用会影响氨氮在弱透水层的穿透时间和吸附稳定性。此研究对揭示深层地下水的氮污染规律及探索地下水污染修复提供理论支持。

弱透水层变形机理的研究

通过对天津市滨海新区不同埋藏深度内弱透水层水理性质变化的研究,得出不同埋深弱透水层的孔隙水类型,依据其不同的孔隙水类型揭示出不同埋深弱透水层的释水变形机理．提出了以界限含水量为依据,对不同埋深弱透水层采取不同的变形计算模式．

pH值对弱透水层中硝酸盐迁移转化的影响

为研究硝酸盐在不同pH值条件下通过弱透水层的越流迁移机理及转化形式设计了室内试验,用天然黏土模拟弱透水层渗透介质,配制硝酸盐溶液作为渗透液,在高渗透压条件下,观察NO3-通过弱透水层的迁移转化过程。结果表明:不同pH值条件下硝酸盐通过弱透水层向下迁移的能力很弱;由于黏土的pH值为5.8,土壤中分布的正电荷多于负电荷,所以硝酸盐大量减少是因为结合水强化的电性吸附造成的。硝酸盐在弱透水层中的迁移过程表现为大部分被弱透水层吸附,在试验后期发生了异化还原作用。硝酸盐浓度随时间的增加呈指数下降。同时发现硫酸盐对硝酸盐的异化还原反应具有较弱的阻滞作用,氯离子与硝酸盐之间显示微弱竞争吸附关系。

动态承压水作用下深基坑底部弱透水层的出逸比降解析研究

根据深大基坑坑底弱透水层的一维越流模型,求解了承压水头变化引起的坑底弱透水层中的超静孔隙水压力和出逸比降的解析表达式。当坑底土层渗透系数较大时,出逸比降计算结果与传统方法的出逸比降求解结果一致,验证了出逸比降解析解的正确性。基于出逸比降解析解,分析了动态承压水作用下坑底出逸比降的变化规律和影响因素。结果表明:当基坑坑底弱透水层厚度一定时,土体渗透系数、压缩模量或承压水头波动周期越大,出逸比降波动越明显,幅值越大,相位差越小;出逸比降影响因素可通过与土体渗透系数和压缩模量正相关,与承压水头波动的角频率和弱透水层厚度的平方负相关的无量纲因子统一表示。最后通过工程实例表明,对于坑底弱透水层渗透系数较小的情况,降承压水头引起的出逸比降减小幅度不大并存在明显滞后性,对基坑的抗渗流稳定性具有不利影响。

越流系统中弱透水层的一维固结解及分析

针对越流系统中弱透水层的固结问题,推导了任意基准面下以水头表示的一维固结控制方程,建立了越流系统中弱透水层的一维固结模型,给出了压缩量和平均固结度的解析解,分析了越流引发弱透水层固结变形的本质,并给出了计算实例和平均固结度的查询表格.研究结果表明:渗透力引起有效应力的增加是土层发生变形的根本原因;弱透水层在1 m越流水头差作用下,能够产生相当于弱透水层顶面施加5 kPa均布荷载所引起的总压缩量;越流系统中弱透水层的一维固结与经典的太沙基一维固结理论相比,达到了相同的固结度,但前者所需时间仅为后者的1/4.

弱透水层释水过程中水力参数响应规律

为了提高地下水运移模拟、地下水资源评价和地面沉降预测的精度,利用室内试验分析弱透水层释水固结过程中水力参数的变化规律。基于相邻含水层降深恒定且初始时刻水流稳定条件下弱透水层释水量的解析解,提出参数求解的配线法,利用研制的试验装置进行试验研究。结果表明:弱透水层释水过程中渗透系数和贮水率逐渐减小,固结系数变化不大。试验中土层的渗透系数和贮水率分别减小了52%和59%。弱透水层水力参数恒定不变的假设会对其释水量的计算造成较大误差,取弱透水层固结变形初始阶段的贮水率,计算结果比实际释水量大;取固结变形结束阶段的贮水率时则相反。

二元结构中弱透水层基坑降水的水文地质特性

通过机理分析和理论计算阐述了汉口地区典型二元结构中弱透水层在基坑降水过程中出现的水文地质特性,即:渗透性呈极明显的各向异性,流土与管涌现象,弱透水层在降水维持阶段的两个"滞后"现象,弱透水层设置滤水管导致含沙量增大等。并依据其特性,提出了疏导与阻堵两种不同的处理方法,即设置砂井疏导,采用止水帷幕阻堵等两种措施。通过与减压降水相结合,成功地解决了弱透水层降低承压水的难题,为类似地层的施工提供了可借鉴的方法。

pH值对有机磷在弱透水层中迁移转化的试验模拟

为研究渗透水pH值对有机磷通过弱透水黏土层迁移转化的影响规律,采用黏性土层充压渗透装置模拟污染潜水中有机磷渗透通过弱透水层的迁移转化过程。研究发现,有机磷组分通过弱透水层的迁移能力总体较弱,不同pH值条件下有机磷的矿化率为93.5%～99.95%;在进水pH值为5.5～8.5时,进水pH值越高,土层中磷酸酶的活性也越高,降解转化有机磷的能力也越强;黏土对有机磷的阻滞能力也增强。进水pH值为5.5时,迁移率为6.5%;当pH达到8.5时,矿化率明显增加,迁移率<0.05%,使其不易渗入深层地下水引起污染。

弱透水层深度对深厚覆盖层坝基渗控的影响研究

在深厚覆盖层坝基中不同深度处常含有单层、连续、等厚弱透水层,如何将防渗墙和弱透水层优化结合形成联合防渗体以减小防渗体的深度,值得深入探讨。采用Seep/w软件分析了强、弱透水层二元结构深厚覆盖层坝基的渗流量、出逸坡降、防渗墙底部坡降,探讨了不同深度处的弱透水层对坝基渗流影响的规律。研究发现,坝基中未设置垂直防渗墙时,弱透水层所处的位置越浅,越能有效降低渗流量、抑制坝基坡降;弱透水层所处的位置较深时,对大坝掺控则不利。坝基中设置垂直防渗墙时,较深的弱透水层与防渗墙形成的封闭式联合防渗体系,相比较浅的封闭式联合防渗体系,更能有效降低渗流量、抑制坝基出逸坡降。深厚覆盖层中弱透水层的存在能有效降低坝基控渗的成本。研究成果可为强弱透水互层的坝基掺控方案确定提供参考依据。

一种实验确定弱透水层水文地质参数的原理与方法

弱透水层是含水层系统的重要组成部分,弱透水层的水文地质参数(如渗透系数、传导系数、贮水率)不仅对预测、评价和控制地面沉降有重要意义,而且对地下水资源开发、评价和计算以及含水层系统污染物运移规律和热能传导规律的研究有着重要的意义。以饱和承压弱透水层柱体为模型,在一侧水头降低某一常量条件下推得了弱透水层单位水平面积的流量公式,给出了基于流量随时间变化的实验资料采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率的具体方法,并结合实验及相关资料进行了参数的确定和验证。这一方法不仅理论严密,而且具有实验装置及实验过程简单、易操作,获取的参数较多,精度高等优点。因此有很好的推广应用价值。

一种确定超固结弱透水层水力参数的方法

弱透水层是含水层系统的重要组成部分。弱透水层的渗透系数K_v和弹性贮水率值S_(ske)对研究地面沉降及地下水资源评价具有重要的意义。在相邻含水层降深随时间周期性波动的条件下,推得了超固结弱透水层中无量纲形式的降深解析解,并基于该解析解进一步得到了超固结弱透水层累计变形量随时间变化的理论曲线。由于弱透水层的低渗透性,其变形总是滞后于相邻含水层的降深变化。根据弱透水层变形的滞后时间与含水层降深波动半周期的关系,提出了一种用以确定超固结弱透水层垂向渗透系数和弹性贮水率的方法,该方法对于弹性变形的超固结土具有很好的适用性。使用该方法之前,首先要根据分层标和水位资料确定含水层降深的变化周期以及弱透水层变形的滞后时间。应用该方法确定了上海地区f_(10-7)分层标处第2弱透水层的水力参数为K_v=4.12×10^(-10)m/s,S_(ske)=1.07×10^(-4) m^(-1)。经实例计算结果具有一定的可靠性。

一种长期观测资料确定弱透水层参数的方法

弱透水层是含水层系统的重要组成部分,要准确计算弱透水层释水量和变形量需事先确定弱透水层的渗透系数和贮水率值。基于一维含水层系统概念模型,在相邻含水层降深随时间线性增大的边界条件下,推得了无量纲形式的弱透水层降深解析解,分析了弱透水层中滞后降深消散规律。根据水量均衡方程得到了弱透水层累计压缩变形量随时间变化的标准曲线,并提出了一种配线法用以确定弱透水层的渗透系数和贮水率,该配线法能够反映弱透水层释水变形过程的滞后性。以上海含水层系统为例,运用配线法确定了f_(10-7)分层标处第2弱透水层的渗透系数为4.26×10^(-10)m/s,贮水率为2.22×10^(-4)m^(-1)。对于具有长序列变形和水位观测资料的含水层系统,该方法具有一定的适用性。

硫酸根离子在弱透水层中的迁移行为

通过研究地下水中硫酸根离子通过弱透水层时迁移特征的变异规律及其环境效应作用,分析在不同黏性土壤厚度条件下硫酸根离子浓度的变化及其受pH、Eh、钙离子浓度变化的影响特征,以及在不同pH值条件下硫酸根离子的浓度变化情况。利用土柱填装及淋滤法,得出地下水中硫酸根离子通过弱透水层时穿透能力很强的结论,并揭示了硫酸根离子浓度随渗透土壤厚度的增大而增大,随淋滤液pH值增大而减小的规律。

深厚覆盖层中弱透水层特性对渗流场的影响

中国西部地区的深厚覆盖层坝基中常存在弱透水层,对坝基渗流场有一定影响。基于非饱和土渗流理论,借助有限元软件Seep/w建立数值模型,得出渗流量和出逸坡降,并结合2个实际工程分析弱透水层深度、厚度、连续性对渗流场的影响。结果表明,采用悬挂式防渗墙或无防渗墙时,深度越小的弱透水层控渗效果越佳;深度越大的弱透水层与防渗墙形成的半封闭式联合防渗体系,越能有效控制渗流量和抑制出逸坡降。渗流量和出逸坡降都随着弱透水层厚度的增大而降低;弱透水层厚度及连续性对采用半封闭式防渗墙控渗时的渗流场影响最大,悬挂式防渗墙次之,全封闭式防渗墙最小。渗流量和出逸坡降随上游、底端开口长度的增加而增大;渗流量随下游开口长度的增加而增大,但出逸坡降随下游开口长度的增加呈先增大后减小的趋势。弱透水层的连续性对渗流场影响较小。采用半封闭式防渗墙时,渗流量和出逸坡降从高到低排序为底端开口、上游开口、下游开口。采用全封闭式防渗墙时,防渗墙承担主要的控渗任务,弱透水层的深度、厚度、连续性对渗流场的影响极小。

深厚覆盖层中弱透水层对渗流影响的试验研究

我国西南、西北地区常存在强弱互层的深厚覆盖层坝基,弱透水层在深厚覆盖层坝基中对渗流影响较大,其影响规律需要深入研究。试验中将弱透水层设置在坝基的不同位置,变化垂直防渗墙的深度。试验结果表明,弱透水层处在中间位置处,其与防渗墙形成半封闭式联合防渗体系能有效降低坝基渗流量与出逸坡降;上江坝工程实例中,经半封闭式联合防渗体系降低后的渗流量及出逸坡降皆在允许范围内;从理论层面上考虑,该弱透水层若能加以利用,可大大减小防渗墙深度。此外,研究还发现,当防渗墙位置越深,其与防渗墙形成的半封闭式防渗体系越能有效减小渗流量及出逸坡降。研究成果能为类似工程提供一定的理论参考及建议,从而降低工程造价。

土工膜-防渗墙-弱透水层联合防渗的有效性分析

深厚覆盖层坝基往往都是强弱互层结构,坝基中存在弱透水层。弱透水层既是隔水层又是软弱夹层,是否利用其作为控渗依托层关系到工程难度、进度及成本。绝大多数工程都将全封闭式防渗体作为控渗首选方案,保守的设计理念导致采用半封闭式防渗体控渗的工程少之又少。西藏多布水电站采用土工膜-防渗墙-弱透水层三位一体半封闭式联合防渗体,在国内外少见,具有一定代表性,其防渗效果具有重要的参考价值和借鉴意义。本文基于详细的地质构造资料,以非饱和土体渗流、比奥固结理论和土体的非线性流变理论为基础,考虑土体水力学及土力学参数随双场耦合的动态变化关系,借助ADINA建立流固耦合模型,全方位分析多布水电站的渗流场、应力场,以及弱透水层的承载力和液化性。研究表明:土工膜-防渗墙-弱透水层三位一体半封闭式防渗体能有效降低渗透速度、渗流量和抑制渗透坡降,各渗流参量满足控渗要求;大坝及防渗墙的水平位移、沉降和应力相对悬挂式防渗体有一定增大,需提高防渗墙的强度。弱透水层是防渗体系中最重要的部分,经分析弱透水层承载力满足要求,且不会发生液化。对比分析三种防渗体系,多布水电站现采取的土工膜-防渗墙-弱透水层三位一体半封闭式联合防渗体是最佳方案,可减小防渗墙深度近193m。该研究成果对类似工程具有重要的参考价值和借鉴意义。

弱透水层释水对黏性土工程特性及微观结构的影响

华北平原地下水持续超采}I起黏性土压密释水。利用天津塘沽1200m深层钻孔原状土样测试分析，探讨第四纪地层弱透水层释水对黏性土工程特性及微观结构的影响。研究发现，黏性土工程指标变化主要受压密释水的影响，释水段黏性土密度增大，孔隙度、含水量降低，渗透性减弱，固结度增高，且在厚层黏土、砂粘互层及邻近含水层处表现显著。按含水层组分析，第一含水组（0～100m）黏性土释水程度较小或以弹性变形，第二含水组（100～260m）为早期压密释水段，第三、四含水组（260～400m）为目前压密释水段并逐步增加。对比压榨前后黏性土微观结构变化发现，絮状结构黏土垂向压缩量较大，即引起水平渗透系数明显降低。

pH值影响下NH_4^+-N在弱透水层迁移转化的实验研究

通过高压土柱实验模拟不同pH条件下地下水中NH4+-N透过弱透水层越流迁移的过程,并对其可能的影响因素及迁移机理进行讨论分析。结果表明:在较短的实验周期内(168 h)及相对缺氧的环境中,低浓度的NH4+-N溶液通过弱透水层后绝大部分被去除,其主要作用是吸附,生物作用只占很小一部分;pH大于7时弱透水层中的NH4+-N较易被吸附和发生生物作用,利于NH4+-N的去除;pH条件易影响钙镁离子对NH4+-N竞争吸附。