【摘 要】
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毛细阻滞型覆盖层在北美非湿润气候区的防渗性能已得到大量理论研究和工程实践的证实。我国西北地区属于非湿润气候区,当地黄土广泛分布是潜在的覆盖材料。因此,毛细阻滞型覆盖层在该地区拥有极佳的应用前景,有必要对黄土用作覆盖材料的毛细阻滞型覆盖层的防渗和填埋气减排性能进行全面评估。此外,受复杂服役环境的影响,毛细阻滞型覆盖层的孔隙结构复杂多变并表现出不同尺度的非均质特性,这会严重影响毛细阻滞型覆盖层的水、气
【基金项目】
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国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究”； 国家杰出青年科学基金项目“环境岩土工程”；
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毛细阻滞型覆盖层在北美非湿润气候区的防渗性能已得到大量理论研究和工程实践的证实。我国西北地区属于非湿润气候区,当地黄土广泛分布是潜在的覆盖材料。因此,毛细阻滞型覆盖层在该地区拥有极佳的应用前景,有必要对黄土用作覆盖材料的毛细阻滞型覆盖层的防渗和填埋气减排性能进行全面评估。此外,受复杂服役环境的影响,毛细阻滞型覆盖层的孔隙结构复杂多变并表现出不同尺度的非均质特性,这会严重影响毛细阻滞型覆盖层的水、气传导特性及服役性能。本文围绕孔隙特征影响非饱和覆盖土体的微观-宏观水气运移机理这一关键科学问题,基于数值模拟和理论分析研究了不同尺度的孔隙非均质性对土体基本物理参数、水气运移规律及服役性能的影响,利用室内微流控实验和数值模拟进行了细-粗粒土层界面毛细阻滞效应的微观验证及影响因素分析,开展现场监测结合数值模拟评估了黄土/碎石毛细阻滞型覆盖层的长期服役性能,并在此基础上提出了毛细阻滞型覆盖层的工程设计及维护方法。开展的主要工作及取得的主要成果如下:（1）构建了离散元-孔隙网络模型（DEM-PNM）联合方法快速获得粒状土的孔隙结构和水气传导特性。该方法建立了颗粒几何特征与孔隙结构之间的内在联系,可以揭示颗粒几何及孔隙特征影响水气传导特性的内在机制。研究结果表明:颗粒级配和形状会显著影响土体的孔隙率、孔隙的几何和连通参数。土体进气值的对数值随着孔径对数值的提高而线性降低。受颗粒不均匀系数影响,表征土水特征曲线坡度大小的拟合参数m（van Genuchten方程）随孔径变异系数（COVp）的提高而线性降低:m=-0.48COVp+0.99。（2）探明了微观尺度孔隙非均质性对土体水气传导特性的影响及作用机理。全面分析了不同孔隙尺寸、连通性、各向异性及淤堵比例下土体的孔隙率、固有渗透率、水压和流量的空间分布、渗流模式、土水特征曲线和相对渗透率曲线的变化规律。研究结果表明:随着孔径变异系数的提高,土体内部流动行为的不均匀程度提高,最高可产生承担9.2%全局流量的局部优势流,水相相对渗透率提高而气相相对渗透率降低。孔隙淤堵对入侵相（吸湿过程为水,脱湿过程为气）的传导参数影响显著,而对被驱替相（吸湿过程为气,脱湿过程为水）的影响可以忽略。（3）揭示了毛细阻滞效应的微观形成机制并分析了其影响因素。利用微流控实验观测了不同孔径比及边界流量下细-粗均质孔隙结构的水分入渗规律,并基于PNM分析了孔隙非均质性对毛细阻滞效应的影响。研究结果表明:粗粒土较小的毛细驱动力使水分在细-粗粒土界面更倾向于向毛细驱动力大的细粒土中运移,这是毛细阻滞效应的微观形成机制。随着边界流量的提高,水分入渗模式可逐渐由惯性力主导的规则指流向粘滞力主导的稳定入渗过渡。毛细阻滞效应随粗粒土孔径变异系数的提高而减弱。为保证细-粗粒土界面间形成有效的毛细阻滞效应,应控制粗、细粒土平均孔径比大于5.0。（4）提出了考虑宏观孔隙非均质特性的覆盖层双孔隙水-气耦合运移模型。利用PNM界定了适用双孔隙模型的土体孔隙特征,对现场覆盖黄土的双孔隙模型关键参数进行了率定,并基于双孔隙模型分析了孔隙非均质性对覆盖层服役性能的影响。研究结果表明:对于具有大孔隙节理的土体,或无大孔隙节理但土体具有典型双峰型孔径分布且两个峰值孔径比大于5.0时,应采用双孔隙模型进行水气运移分析。现场覆盖黄土的双孔隙模型关键参数为:大孔隙系统的体积占比wf=0.2,大、小孔隙系统渗透率之比Kf/Km=100,大、小孔隙系统界面交换系数DE=1.0。宏观孔隙的非均质性对毛细阻滞型覆盖层的底部入渗量影响不大,但可将甲烷排放量提高1个数量级。（5）提出了毛细阻滞型覆盖层的工程设计和维护方法。开展现场监测和数值模拟评估了非湿润气候区黄土/碎石毛细阻滞型覆盖层的长期防渗和填埋气减排性能。研究结果表明:由0.9m厚黄土下衬0.3m厚碎石构成的毛细阻滞型覆盖层在我国西北地区的防渗性能良好,2年累积底部渗漏量为16.16mm,低于该地区的渗漏标准（30mm/yr）;在秋冬季节,毛细阻滞效应可使黄土-碎石交界面上方黄土的导气系数降低5个数量级,这让毛细阻滞覆盖层的填埋气减排性能优于单一型覆盖层。在此基础上,提出了以控制覆盖层厚度、降低底部气压及人工补水等措施的毛细阻滞型覆盖层的设计和维护方法。
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