多场条件下水平阻隔系统的工程设计及优化文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

1.气体在土体及上覆工程屏障中的数值模拟运移研究

目前关于气体在土体以及上覆工程屏障中的运移研究包括两个主要的手段：数值模拟和室内试验。数值模拟方法近年来得到了广泛的应用，并且在机理验证以及大型工程场地 中被证明是更加适合的方法。Yanful等人通过数值模拟的手段研究了含水盖层的一维蒸发模型，并证明了地下水位和毛管层厚度与覆盖层的饱和度的关系并非线性。彭绪亚等人通过模拟填埋垃圾体压实方向和垂直方向上气体渗透系数的测定，研究了在不同压实密度、不同含水率条件下垃圾体渗透特性的变化情况。除此之外，解析方法也有很多的研究者，并得到很多科学家的认可。简化之后的解析解通常能在很多层面代替数值方法，从而成为一种经济、有效的方法。

2.气体在土体及上覆工程屏障中的室内试验运移研究

直接和间接测试技术常常用来定量测试气体，尤其是填埋气的释放速率。然而对于填埋气释放速率的测定目前还没有十分精确的方法。少数研究致力于测试填埋气释放速率，包括一些对于小区域范围内的定量测试，以及其他的针对较大区域甚至整个填埋场的测试。对于小范围填埋气释放量的测试采用室内试验法，如测试竖向气体浓度梯度法；而对于大范围的填埋气释放量的测试则采用红外光谱法、同位素比率技术等。

尽管如此，当今气体在土体乃至上覆工程屏障中的运移研究主要还是通过室内试验来 实现。Bouazza、Pitanga等人通过对饱和GCL中气体渗透率的测试，发现了GCL的水化会减少膨润土中的气体含量，从而减小GCL的气体渗透率，并指出气体渗透率随GCL体积含水量的增加而减小，粘土层结构和膨润土类型对气体渗透性的影响很大。Graham等人做了气体击穿复合土层的试验，结果表明气体突破压力随粘土密度增加而增加，随饱和度增加而减小。Neale等人通过试验提出了确定氧气通量的解析模型，该模型不仅适用于不同土壤类型，还适用于不同土壤含水量以及非饱和区厚度。现有的大量研究表明，气体在土体中的作用主要是平流和扩散。在平流-扩散的气体运移机制下，气体在孔隙水中的解离以及气体在孔隙中的扩散机理起着决定性的作用。即使在饱和条件下，气体运移过程中气压与土体的饱和度息息相关。在饱和土条件下的气体运移试验主要用于探究气体在含水土层中的扩散系数，土颗粒扭曲度，土体中含气率，以及孔隙效应。气体扩散的测试与应用已经在含硫尾矿中氧气的阻隔屏障研究中得到了充分的体现。不仅如此，早在放射性物质的防护工程屏障中，高强度的击实粘土就得到了广泛的应用。

3.气体在粘土层中的室内试验运移研究

粘土作为上覆工程屏障中的重要功能性材料之一，是众多工程师的首选。然而实际工况中，粘土中多少会含有孔隙水。当气体通过具有孔隙水条件下的粘土层时，一般认为基于两相平流的―毛细管机制在起主导作用。在这种条件下，一旦气体压力过高时，气体的流动性则假设被气体固有渗透率、空气-水相对渗透率、以及保水率三个指标共同作用。 不仅如此，对气体而言，在相同的孔隙率条件下，当在部分饱和条件下测试高活性粘土时，气体渗透性对于由历史吸力引起的固有渗透率变化及其对材料的孔径分布变化的影响也非常敏感。

4.气体在开裂土层中的室内试验运移研究

当气体在土体中运移时，一般假设其按照优先路径运移，其预期方向被认为是垂直于最小主应力方向。气体通过这些裂隙的过程可以视为单相流主导作用下的、试样内无水分迁移的气体运移过程。该运移机制和非连续性流动法则以及裂隙发展的过程相关。基于这种方式，水-力耦合就成了一个重要的问题——高运移条件下的空气通道的长度取决于该通道周围土体的应力状态及其刚度。实验室规模的气体突破实验主要用于研究气体首次通气（突破后气体迁移）后的稳态情况下的体积气体注入速率，施加气体压力，突破时间的影响，峰值压力和峰值放电率，出口压力和流出体积气体速率，限制应力，样品密度和饱和度。通常在高峰值注入压力下检测到高传导通道孔径的气体击穿现象，或是在试验装置下游的气体流量突然增加的现象。除此之外，高传导条件下气体路径的可视化研究 也是一个重要的问题。关于这个问题，国外已经提出了相应的技术，例如电阻抗层析成像和使用气体示踪剂来检测气体流动路径等。Horseman等人已经在各项同性应力得饱和土层中使用恒定气体注入速率将气体压力提高到击穿点的实验研究。对于不饱和土层，Galle和Graham获得了各种饱和度和干密度的气体击穿压力，他们观察到击穿压力随着饱和度的增加而增加，当饱和度达到95%以上时，增加幅度会更加明显。

5. 含水饱和度、延迟系数、降解速率和GMB对盖层系统性能影响研究

通过Xie,Wang等人建立四层垃圾填埋场覆盖系统（保护层，排水层，土工膜层，CCL层）的模型，得出水饱和度对覆盖层的性质影响最为明显。CCL层中吸附的影响远比在排水和保护层中的影响要大得多，模型数值显示含有吸附剂（0.5%生物炭）的CCL层苯气体的浓度趋向于0。Xie,Wang等人所提出的分析模型相对简单，可用于垃圾填埋场覆盖系统的初步设计和评价以及更为复杂的数值模型的验证。由于边界条件在数值模型中被简化过，并且将土工膜层视为一个完整无孔洞无褶皱的理想提，并不是完全符合实际，仅用于得出分析结论。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
2. 使用研发出的3D打印气体扩散实验仪进行试验，裁剪制取与土样尺寸相同（或略大）的土工布，测量出土工膜的半径R，分别研究R/r（r为土工膜孔洞的半径）为10,20,30,50,100,500,1000的情况下气体扩散系数绘制成图表并寻找其变化规律。
3. 在半径比控制不变的情况下，改变土工膜上孔洞分布排列情况，研究孔洞分布对气体扩散系数的影响。
4. 模拟土工膜褶皱情况，研究其气体扩散系数的变化规律。
5. 研究孔洞形状（圆形，三角形，矩形等）对气体扩散系数的影响。
6. 通过设定有机气体传感器，开发针对吸附剂研究的扩散腔室，研究不同拌合比条件下气体的吸附量（0.1%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0%），确定含水率、孔隙率等参数和其吸附效率的关系。
7. 采用小型模型试验探究温度梯度、水分梯度对压实黏土气体扩散系数的影响，筛选出显著影响压实黏土气体扩散系数的关键参数，温度场和水分场的设置参考实际工况。
8. 根据上述试验所得参数，通过系列数值仿真试验得到HDPE土工膜、吸附层和压实黏土层的合理布设，完成有机污染场地水平阻隔系统的优化。