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。

长江河口地区全新世以来的弱透水层孔隙水地球化学特征及成因分析

弱透水层孔隙水反映了土体沉积时的原始溶液,对于古气候重建具有重大作用。为了解析长江河口地区全新世以来弱透水层孔隙水的补给及其盐分来源,采集易溶盐、土工、潜水、近岸海水等样品。采用易溶盐指标结合土工指标(含水率、湿密度、比重)获取了研究区弱透水层孔隙水的水化学特征。采用二端元法、Piper三线图、Gibbs图、离子比值法等解析了孔隙水的补给及其盐分来源。结果表明:孔隙水矿化度介于1.16~32.79 g/L,平均值为10.68 g/L,盐水占比最高,其次为咸水和微咸水。孔隙水类型以Cl-Na型(85.6%)为主,其次从高到低依次为Cl-Ca·Mg、HCO_(3)-Ca·Na、HCO_(3)-Ca、Cl-Ca型。当地潜水类型为HCO_(3)-Ca型,深层孔隙类型为Cl-Na型,说明深层孔隙水保留了土体沉积时的环境信息。中层与浅层孔隙水受到了大气降水补给、人类活动、蒸发作用等表层作用影响,孔隙水水化学数据较为离散。孔隙水的δ^(18)O与δD数据说明孔隙水样点受到了海水混合作用与蒸发作用的叠加影响,蒸发作用较为强烈。孔隙水海水补给比例介于30.2%~87.0%,大气降水补给比例介于13.0%~69.8%。土体中的盐分主要来自全新世海侵(海源)与蒸发盐岩溶解、长石风化溶解(地壳源)。海水补给深层孔隙水盐分的比例约为37%,其余盐分主要来自地壳源。

东洞庭湖弱透水层沉积物磷形态及吸附特性

湖底弱透水层是湖水-地下水交互的重要场所,其对磷的吸附和释放深刻影响着沉积物与湖水和地下水之间的磷交换。近年来,洞庭湖水体和沉积物中的磷含量呈上升趋势,湖水呈现出轻度富营养化现象,因此以东洞庭湖为研究区,分别采集坝内(J1)、外(J2)钻孔弱透水层沉积物样品,通过连续提取法对沉积物中磷的形态进行分析,并以J2钻孔沉积物为例,通过沉积物对磷的吸附动力学和热力学试验探究弱透水层沉积物对磷的吸附特性。结果表明:J1、J2钻孔沉积物中总磷含量分别为584.59~879 mg/kg、642.94~1482.76 mg/kg,并均以钙结合态磷和闭蓄态磷为主,其含量占总磷含量的百分比均为70%左右;J2钻孔沉积物中平衡吸附磷浓度(EPC0)的范围在0.056~0.252 mg/L之间,通过对弱透水层沉积物中EPC0值与湖水、地下水中溶解性反应磷(SRP)浓度的比较,可以初步判断当地下水补给湖水时,弱透水层沉积物表现为“汇”,而当湖水下渗时,弱透水层沉积物作为“源”,从而对湖水和地下水水质产生一定的影响。

珠江三角洲弱透水层孔隙水水化学及运移模拟

珠江三角洲第四纪弱透水层上覆于底部承压含水层之上,其水文地球化学演化过程对底部含水层有决定性影响。为认识珠江三角洲弱透水层孔隙水的形成及演化,本文对中山市民众镇ZK01钻孔黏性土孔隙水化学特征、水文地球化学参数、矿物饱和指数等进行了分析,结果显示孔隙水盐度较高,TDS=4.42~30.47 g/L。孔隙水水化学类型为Cl^(-)Na型,与海水类型一致,且主要水化学组分具有浓度随深度增加而上升的趋势。Cl/Br、γ(Na/Cl)系数和Gibbs分析显示孔隙水具有海水起源的特征,地下水盐度很可能来源于全新世海水。SO_(4)^(2-)主要受黏性土中硫酸根还原作用的控制,而不受石膏沉淀作用的影响。浅层孔隙水中Ca^(2+)、Na^(+)在孔隙水演化过程中受到阳离子交替吸附作用影响,表现为Na^(+)的亏损和Ca^(2+)的富集。NH_(4)^(+)主要与Mg^(2+)发生交换作用,致使孔隙水中NH_(4)^(+)增加。K^(+)在孔隙水演化过程中受混合作用和吸附作用控制,表现出衰减特征。结合14C测年数据,在考虑沉积环境、沉积过程与沉积速率的基础上,以水文地球化学模拟软件PHREEQC构建了弱透水层Cl^(-)一维溶质运移模型,模拟结果表明该区域弱透水层中存在垂向上的扩散作用,垂向对流速度十分缓慢,弱透水层的有效扩散系数约为6.0×10^(-11)m^(2)/s。

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。

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。

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。

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。