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随着中国交通基础建设的快速发展,有的隧道不可避免地要在垃圾填埋场附近甚至下部通过,隧道建设对垃圾填埋场渗滤液运移规律的影响研究已成为学者越来越关注的科学问题。隧道对水文环境的影响主要涉及地下水位、溶液运移路径以及溶质浓度分布,一般来讲污染物是伴随地下水流动的,垃圾场渗滤液运移规律是基于地下水流动规律的。因此,研究隧道对垃圾渗滤液运移规律的影响需首先研究隧道开挖对地下水位的影响,同时在分析地下水位变化时也应考虑到隧道开挖导致的地层扰动。硫酸根离子具有一定的稳定性,研究时用硫酸根离子的运移代表渗滤液溶质的运移。隧道开挖改变了地质介质的渗透性能,地质介质渗透性能的变化又会导致垃圾渗滤液运移规律的变化;同时垃圾渗滤液是高浓度多组分的污染物质,在地层中运移时必然会与地质介质发生反应,复杂的反应也势必影响地质介质的各种性能,如对渗透性能产生影响,则会改变渗滤液的运移规律,如对强度参数产生影响,则会改变围岩开挖后的力学特性。本文主要内容为从应力场-渗流场耦合、化学场-渗流场耦合的角度,利用GMS(Groundwater Modeling System)软件对地下水运动及渗滤液运移进行模拟;同时结合岩石强度试验,利用GTS软件对该地区隧道围岩进行了考虑化学作用、渗流作用的开挖模拟。在深入分析隧道建设对填埋场渗滤液运移规律影响基础上,对近填埋场区多场耦合条件下的隧道稳定性进行了研究。本文的工作及研究成果如下:
①隧道修建前的模拟水位水头由东北方向西南方向逐次递减,汇于抽水井PW-1。隧道修建前地下水溶质运移模型潜水含水层(第一层)2030年12月时的弥散情况,硫酸根离子纵向弥散最远达到了PW-1监测井,距离1号垃圾场南端500米。
②通过应力场-渗流场耦合实验说明开挖后岩石渗透率的变化,再从渗透率的变化来揭示渗滤液的运移规律。渗透实验发现围压对渗透率变化曲线的整体趋势影响较大。将相同围压和渗透压下未浸泡和浸泡过的岩石试件的渗透率差值进行统计分析,发现经渗滤液浸泡过岩石的渗透率平均增大21%。
③隧道开挖后地下水流模型在隧道中间段和抽水井PW-1附近,形成了降水漏斗。开挖前后水位的变化也说明了隧道对地下水流动方向造成了影响。在隧道开挖后溶质运移模型中,隧道以南硫酸根离子浓度降低,迁移范围减小;隧道以北硫酸根离子浓度增高,迁移范围增大。
④通过实验探究岩石腐蚀后孔隙度变化,再从孔隙度变化来说明溶质运移规律。总体来说,浸泡环境浓度越高会导致孔隙度越高,同时随浸泡时间的增加,低浓度和高浓度渗滤液中浸泡岩石孔隙度的增加速率都会逐渐变缓。在化学场作用下经高浓度和低浓度渗滤液浸泡88天的岩石试件的孔隙度分别为0.0245和0.0225。
⑤隧道开挖后化学场作用下的模拟水位与隧道开挖后的模拟水位相比,化学场作用下水位整体偏低,这是因为开挖后化学场作用导致孔隙度的增加,孔隙度的增加又加快了地下水向下渗透。
⑥同围压条件下经垃圾渗滤液浸泡岩石试件的弹性模量要小于未浸泡岩石试件的弹性模量。未浸泡试件泊松比的平均值为0.21;浸泡试件泊松比的平均值为0.2;未浸泡岩石试件粘聚力为5.32MPa,内摩擦角为37.23°;浸泡试件粘聚力为4.69MPa,内摩擦角为33.61°。
⑦在化学场-渗流场作用下隧道开挖模拟中,施工步骤1结束时,拱顶最大沉降为2.37mm,拱底最大上浮为2.50mm,在施工步骤2结束时,拱顶最大沉降为3.05mm,拱底最大上浮为2.52mm。对比隧道开挖对围岩稳定性影响模型,在施工步骤1结束时,拱顶最大沉降增大了0.22mm,拱底最大上浮增加了0.07mm;在施工步骤2结束时,拱顶最大沉降增加了0.36mm,拱底最大上浮增加了0.06mm。
①隧道修建前的模拟水位水头由东北方向西南方向逐次递减,汇于抽水井PW-1。隧道修建前地下水溶质运移模型潜水含水层(第一层)2030年12月时的弥散情况,硫酸根离子纵向弥散最远达到了PW-1监测井,距离1号垃圾场南端500米。
②通过应力场-渗流场耦合实验说明开挖后岩石渗透率的变化,再从渗透率的变化来揭示渗滤液的运移规律。渗透实验发现围压对渗透率变化曲线的整体趋势影响较大。将相同围压和渗透压下未浸泡和浸泡过的岩石试件的渗透率差值进行统计分析,发现经渗滤液浸泡过岩石的渗透率平均增大21%。
③隧道开挖后地下水流模型在隧道中间段和抽水井PW-1附近,形成了降水漏斗。开挖前后水位的变化也说明了隧道对地下水流动方向造成了影响。在隧道开挖后溶质运移模型中,隧道以南硫酸根离子浓度降低,迁移范围减小;隧道以北硫酸根离子浓度增高,迁移范围增大。
④通过实验探究岩石腐蚀后孔隙度变化,再从孔隙度变化来说明溶质运移规律。总体来说,浸泡环境浓度越高会导致孔隙度越高,同时随浸泡时间的增加,低浓度和高浓度渗滤液中浸泡岩石孔隙度的增加速率都会逐渐变缓。在化学场作用下经高浓度和低浓度渗滤液浸泡88天的岩石试件的孔隙度分别为0.0245和0.0225。
⑤隧道开挖后化学场作用下的模拟水位与隧道开挖后的模拟水位相比,化学场作用下水位整体偏低,这是因为开挖后化学场作用导致孔隙度的增加,孔隙度的增加又加快了地下水向下渗透。
⑥同围压条件下经垃圾渗滤液浸泡岩石试件的弹性模量要小于未浸泡岩石试件的弹性模量。未浸泡试件泊松比的平均值为0.21;浸泡试件泊松比的平均值为0.2;未浸泡岩石试件粘聚力为5.32MPa,内摩擦角为37.23°;浸泡试件粘聚力为4.69MPa,内摩擦角为33.61°。
⑦在化学场-渗流场作用下隧道开挖模拟中,施工步骤1结束时,拱顶最大沉降为2.37mm,拱底最大上浮为2.50mm,在施工步骤2结束时,拱顶最大沉降为3.05mm,拱底最大上浮为2.52mm。对比隧道开挖对围岩稳定性影响模型,在施工步骤1结束时,拱顶最大沉降增大了0.22mm,拱底最大上浮增加了0.07mm;在施工步骤2结束时,拱顶最大沉降增加了0.36mm,拱底最大上浮增加了0.06mm。