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核废物处置库顶盖毛细屏障中水分流动的实验研究 中文摘要 当今世界，原煤、石油、天然气等能源日益紧缺，世界各国都面临着能源危机， 核能越来越得到世界各国的重视，核能必定会有一个更大规模的发展。但随着核能 的广泛利用，必将产生越来越多的核废物，核废物的如何安全处置成为人们日益关 注的焦点。 目前核废物处置多采用地质处理方法。核废物经过加工处理后，再放入处置库 与外部环境隔离，尽量避免水分进入处置库。顶盖是放射性废物近地表处置库的重 要工程屏障。毛细屏障是顶盖中一个非常重要的部分，一般由细颗粒介质的下面铺 设粗颗粒介质而成的。当水分入渗到粗细颗粒介质交界面上方时，由于毛细作用使 得水分不能从细颗粒介质层进入粗颗粒介质层，从而在界面上方积累，如果界面有 一定坡度，水分会沿着界面横向传导。本文以喷淋强度、界面坡度和粗砂层厚度为 影响因素，系统地展开了其对毛细屏障的效应研究。 通过设计箱体实验，研究在非饱和状态下，以不同的喷淋强度表征不同的降雨 情况，分析了其对毛细屏障的影响作用。设定5 、1 5 、2 0 和2 5m m d 的喷淋强度， 测量水分经过粗一细砂介质交界面的相对绕流量。结果表明，在粗砂的厚度不变的前 提下，喷淋强度越大，相对绕流量越少，毛细屏障的作用越弱。 研究了粗石英砂的厚度对毛细屏障的影响情况。设定l m m ，3 m m ，5 m m ，7 m m ， 1 5 r a m 和3 0 r a m 等粗石英砂层厚度，在给定喷淋强度下，结果表明绕流量随着粗砂层 的厚度增加丽增加，证实了粗颗粒介质层的厚度越大，越有利于水分绕流现象的发 生。同样，增加毛细屏障的倾斜度，可以增强毛细屏障的阻水能力。 在对相对绕流量的定量观测的同时，也测定了箱体中粗细石英砂层各个位置的 基质势，从能量角度对毛细屏障的水流规律作了解释，为更进一步探索复合效应对 毛细屏障的影响奠定了基础，为核废物处置库的顶盖设计提供参考。 关键词：毛细屏障；绕流；水分特征曲线；基质势 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f w a t e rf l o wi nc a p i l l a r yb a r r i e ro f n u c l e a r w a s t er e p o s i t o r yc o v e r g r a d u a t en a m e ：z h a os h i p i n g d i r e c t e db y ：p r o f l i uj i a n s h e n ga n d a s s o c i a t ep r o f q i a nt i a n w e i a b s t r a c t i nt h em o d e mw o r l d ，t h ei a c ko fe n e r g ys o u r c e ss u c h 弱c o a l ，p e t r o l e u m , n a t u r a lg a sb e c o m e ss e r i o u sg r a d u a l l y , a l lt h ec o u n t r yi nt h ew o r l dh a v et o c o n f r o n tt h ee n e r g yc r i s i s ，s on u c l e a re n e r g yw i l lg e tm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n f r o mt h e m n u c l e a re n e r g yw i l lg e ts w e e p i n gd e v e l o p m e n t a saw e 儿 d e v e l o p i n ge n e r g ys u b s t i t u t e b u ta st h ew i d e l yu s eo f n u c l e a re n e r g y , t h e r e 、玩l lb em o r ea r 通m o r en u c l e a rw a s t e s oh o w t od i s p o s en u c l e a rw a s t es a l e l y w i l lb et h ef o c u so ft h ep e o p l e n u c l e a rw a s t ei so f t e nd i s p o s e db yt h em e t h o do fg e o l o g i c a ld i s p o s a la t t h ep r e s e n tt i m e f i r s t , p r o c e s s i n g ，t h e np u ti ti nw a s t er e p o s i t o r yi s o l a t i n g 矗o me x t e m a le n v i r o n m e n t ，a v o i d i n gt h ew a t e ri n f i l t r a t i o ni n t ot h en u c l e a r w a s t er e p o s i t o r yt ot h eb e s to fi t sa b i l i t y c o v e ro fl o w a n d i n t e r m e d i a t el e v e l r a d i o a c t i v ew a s t ed i s p o s a li nn e a r - s u r f a c ef a c i l i t i e si s au s e f u lb a r r i e r o n e i m p o r t a n ts e c t i o n 。c o n s i s t i n go fac o a r s e rs o i ll a y e ru s n d e r l y i n gaf r e e r s o l l l a v 瓯c a l l e dc a p i l l a r yb a r r i e r s u c hac o n f i g u r a t i o ni s ，mr e f e r e n c e t o 也e m e c h a n i s mo fc a p i l l a r yt e n s i o nt h a tl i m i t sw a t e r sd o w n w a r d m o v e m e n t 打0 m af i n e rs o i li n t oac o a r s e rs o i l ，c a u s i n gt e m p o r a r yw a t e rs t o r a g em t h eu p p e r s o i ll a y e r 。i ft h ef i n e - c o a r s ei n t e r f a c ei ss l o p e d ，w a t e ri nt h ef i n el a y e rc a n a l s od r a i nl a t e r a l l y t h i sp a p e rp r e s e n t st h es y s t e m i cr e s e a r c ho fc a p i l l a r y b a 盯i e re f f e c t ，t a k i n gi n f i l t r a t i o nr a t e 、i n c l i n a t i o no fs l o p ea n dt h i c k n e s so f c o a r s e rs o i “n t oa c c o u n t t 0 咖d yi t sp e r f o r m a n c e o ft h ec a p i l l a r y b a r r i e rc o n s i s t i n g0 l f i n e o v e i c o a r s eq u a r t zs a n dl a y e r s ，i ti ss u b j e c t e dt od i f f e r e n ti n f i l t r a t i o n r a t e ss i m u l a t i n gd i f f e r e n tr a i n f a l l i na ni n f i l t r a t i o nb o xa p p a r a t u su n d e r u n s a m r a t e dg o n d i t i q n t h eb a r r i e rw a ss u b j e c t e dt os e v e r a l i n f i l t r a t i o nr a t eo f 5 ，10 ，15 ，2 0m r r g d a y , s u c c e s s i v e l y t h r o u g hq u a n t i f i c a t i o n a l l ym e a s u r e m e n t o ft h ed i v e r s i o nw a t e r , w ec a l lc o n c l u d et h a tt h eb i g g e rt h ei n f i l t r a t i o nr a t ei s ， t h em o r et h ep e n e t r a t i o nw a t e ri s ，t h el e s sd i v e r s i o nw a t e ri s ，t h ew e a k e rt h e c a p i l l a r yb a r r i e ri s ，u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o no f i n v a r i a b l et h i c k n e s s t h ei m p a c to fc o a r s el a y e rt h i c k n e s so nt h e c a p i l l a r y b a r r i e ri s i n v e s t i g a t e d t h et e s t sa rec a r r i e do nd i f f e r e n tt h i c k n e s so fc o a r s eq u a r t z s a n d ，r a n g i n gf r o ml m mt o3 0 m mi nag i v e ni n f i l t r a t i o nr a t e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ed i v e r s i o nw a t e rb e c o m e sl a r g e rw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h i c k n e s so fc o a r s el a y e lc o n f i r m i n gt h ep o s i t i v ee f f e c to f b i g g e rt h i c k n e s s o fc o a r s el a y e ro nr e d u c i n gp e n e 仃a t i o nw a t e r t h ei n c r e a s i n gt h ea n g l eo f s l o p ea l s oh e l p st os 仃e n g t h e nt h ec a p i l l a r yb a r r i e re f f e c t w h i l eq u a n t i f i c a t i o n a l l ym e a s u r e i n gt h ed i v e r s i o nw a t e r , t h em a t r i c s u c t i o no fd i f f e r e n tl o c a t i o n si na n da r o u n dt h ec a p i l l a r yb a r r i e ra r ea l s o m e a s u r e d ，w h i c hh a sl a y e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ee x p l o r i n gt h em u l t i p l e x e f f e c to nt h ec a p i l l a r yb a r r i e lp r o v i d e dt h er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fc o v e r i nn u c l e a rw a s t e d i s p o s a l k e yw o r d s ：c a p i l l a r yb a r r i e r ；l a t e r a ld i v e r s i o n ：w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u v r e ： m a t r i cs u c t i o n 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者c 签章) ：赵世苛 2 0 0 8 年厶月f 。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 核能是当今世界上的一种日益重要的能源，同时作为清洁能源，在世界各国受 到极大的重视。在我国核电的远景规划中，到2 0 2 0 年，我国核电装机容量将达到4 0 0 0 万千瓦，占全部电力装机容量的4 。但随着核科学技术的广泛应用和发展，产生了 数量相当多的高水平和中、低水平的放射性废物，如何安全处置它们已成为人们日 益关注的焦点。 为了避免放射性废物对人类环境产生放射性危害，需要把它们与生物圈环境永 久隔离。在放射性核素衰变到无害化水平之前，不给当代和后代人类造成不可接受 的环境影响。所以要想发展核能事业，就应当首先研究和解决放射性废物处置问题。 目前，从安全的角度考虑，目前国际上较为占优势的观点是核废物的地质处置 方法。为了防止放射性废物中的放射性核素迁移到地表，确保环境的绝对安全，要 求处置库有防水和滞留放射性核素的作用。从防水角度来说，如果地表水通过放射 性废物处置工程屏障，进入处置库，那么在下渗过程中对废物发生淋滤作用，使核 素随水分运移，经过一定的时间后将到达地下水面，进而侧向流动或进入水井，或 以泉的形式溢出地表，从而使生物圈受到放射性核素的污染。为防止放射性核素迁 移，保护人类环境，要求放射性废物处置工程必须具有防水、把核素阻滞在处置库 内的作用。顶盖是放射性废物处置工程中非常重要的工程屏障。它的主要作用在于 防止水下渗进入核废物处置库。 项盖的重要组成部分是毛细屏障，因为利用毛细效应阻滞水分流动而得名。早 期的处置库顶盖一般在回填材料上方覆盖一层渗透系数很小的粘土。这种单层结构 具有明显的缺陷，入渗水一旦穿过阻水层就不易排出，将直接威胁到废物包的安全， 因此经过不断研究，目前通常采用多层结构，一般由粗细颗粒不同的几种地质介质 放置而成，当水入渗到粗一细界面时，由于毛细作用使得入渗水在界面上方积累并 沿着一定坡度的界面横向传导，最终流入设置的排水沟中，使得下垫的粗颗粒介质 保持干燥，起到了阻滞水流的作用。为了评价核废物处置的安全性，需要对水分在 顶盖中的流动规律进行深入细致的研究。因此对水分在毛细屏障中的迁移研究，不 仅具有理论意义，还具有广泛的社会经济效益。 1 2 国内外研究现状分析 m i y a z a g a i 【l 】对一个由细颗粒土壤与粗颗粒土壤层构成的倾斜界面进行了实验以 1 核废物处置库顶盖毛细屏障中水分流动的实验研究 确定横向流。他主要进行了室内箱体实验，箱内采用了砂质肥土作为细颗粒介质， 中间夹有砂砾石层作为粗颗粒介质。实验表明从细颗粒向粗颗粒层的水流被沿着交 界面横向转移。 n y h a n 2 等进行了一个3 年的野外研究，比较了传统垃圾填埋场顶盖与包含毛细 屏障的改进过的垃圾填埋场项盖的性能。这种改进的顶盖与传统顶盖相比，渗滤不 到传统顶盖的1 4 。该文作者把这种渗滤减少归结于细颗粒层中所含水分的毛细屏障 效应。 脚f 等人【3 1 通过室内实验进一步证实了这种人工毛细屏障的阻水下渗能力，他 们发现，对于细颗粒介质下铺设粗颗粒介质而言，绝大部分垂向下渗的水流在接触 层附近( 细颗粒介质层底部) 发生横向运动，此外，在低降水率条件下，少量的水 均匀地渗透了系统，而在高的降水通量条件下，入渗的形式变得非常复杂，其原因 也许与优先流有关。 h a k o n s o n l 4 等阐述了位于犹他州a f b 丘陵实施的不同顶盖野外实验的结果。该 野外实验使用了测渗计，涉及了4 种类型的顶盖。其实验结果讨论认为：毛细屏障 使土壤水横向转移的能力是细颗粒土层水力传导率的强函数。两个可能的毛细屏障 改进设计是：增加毛细屏障的倾斜度和( 或) 在毛细防水层上使用一层较高水力传导率 的物质，以提高土壤水的横向流动速率。 s t o r m o n t s 6 报道了关于两种毛细屏障的野外实验。一种毛细屏障是均质的，细 土壤层放置在2 5 c m 的砾石层之上，另外一种则进行了分层，细土壤层3 层，下垫细 砂层3 层，整个放置在2 5 c m 的砾石层之上。他发现后者在横向转移水方面比前者有 效的多，9 9 的水从横向得到转移。 m t w a l t e r 7 1 在实验室内研究了毛细屏障的性能，他将粗砂层埋入细砂层中，变 换砂层倾斜角度( o o 1 2 。) 和喷淋强度( 1 c m h 3 e m h ) ，利用对染料示踪剂照相的方法使 实验设施中的水分流线变得可视化。其研究结果显示粗砂层的倾斜角度、水的入渗 量大程度上决定着毛细屏障的效率。 a r i k eh e l i g 等【8 】采用野外实验对分层土壤的流动机( 他称之为“漏斗状”流动) 进 行了研究，以确定毛细屏障是怎样影响水和溶质运动。实验在两个地方进行，分别 使用了氯离子和一种染料作为示踪剂。研究结果表明：两个场地都明显出现了入渗 水沿粗颗粒层横向流动的情形，其中1 个场地有很少的几个水流穿透了粗一细颗粒 层交界面。 h o n gy a n 9 1 9 1 等选用三种粒径不同的材料，在两两构成的毛细屏障上进行了入渗 2 第一章绪论 实验。研究结果表明，在所有的毛细屏障结构中，当粗颗粒介质层粒径相对大时， 在细颗粒介质层中能够保持了更多的水。 j o h nc s t o r m o n t 等【l o 】等人认为毛细屏障的效应产生主要是因为粗颗粒介质层。 j a s o nk s m e s r u d 1 1 1 等在给定入渗率，倾斜角度，细颗粒介质的前提下，通过改变粗 颗粒介质的粒径，研究相对绕流量的大小。结果表明，当粗细粒径比为2 5 时，相对 绕流量为8 0 。当粒径比为5 时，相对绕流量为9 0 。但是粒径比太大时，细颗粒 会进入粗颗粒里面，会降低坡面的稳定性。 h i l la n dp a r l a n g e 1 2 】指出如细沙覆盖粗沙，当湿润峰穿过细粗沙界面时，湿润峰变 为“f i n g e r s 及入渗率变为常数，同时水分在重力势和细沙表面积水的压力势作用下 向下运移这就表明在粗细沙界面处，基质势为0 。如果忽略表面的积水深度，入渗率就 等于上层细沙的饱和导水率，同时也表明了入渗率与下层粗沙无关。 h i l l e la n db a k e r 0 3 】分析了细沙覆盖粗沙情况下“f i n g e r sf l o w 形成机制，并提出了 进水吸力概念。 b a k e ra n dh i l l e “】进行了室内模拟实验，以验证其结论，并利用线性回归分析方法， 建立了下层粗沙颗粒粒径与进水吸力间关系。 s c h u l t z 等人在一些特殊的地区或条件下进行了实验。 s c h u l t z 等【1 5 】报道了马里兰州某潮湿地区进行的野外实验。该实验对不同顶盖设 计的组合进行了比较，结果表明在潮湿地区导水层屏障( 即毛细屏障) 效果不太理想， 其性能被限制住了。 b u s s i e r e 等【1 6 j 的研究表明这种毛细屏障还可以作为气体迁移的屏障使用，他们的 实验结果表明分层顶盖的水力学行为受其倾斜坡度的影响，斜坡上部含水较下部少， 这意味着在限制气体迁移方面下部比上部效率更高。 e d w a r do d o r m e l l 等【1 7 】也采用测渗计对同一地区工程屏障的性能比较进行了研 究。他们的实验跨度长达1 2 年，其实验表明，在潮湿地区除了阻水屏障层和导水层 屏障外，还应引入生物工程屏障手段以防止塌陷。 i n d r e kp o r r o ”1 研究了极度湿润之后两种工程屏障的水力学行为，在两年的实验 中发现与普通单一的厚层土壤相比，毛细屏障土层在大量的溶化的雪水渗入后增加 了水的储存量，反过来导致增加了蒸发量，大量的蒸发又在下一个季节在没有排水 的情况下能使更多的水注入，这对工程屏障的长期运行有比较重要的意义。 国内近年来在这方面也开展了许多工作。研究了当细粒土层下垫有粗粒土层时， 两种土质的交界面对农业生产和水利、建筑工程以及窑洞民居防渗、减渗研究的作 3 核废物处置库顶盖毛细屏障中水分流动的实验研究 用和影响。 赵沛伦【1 9 】曾采用土柱法对两层性土壤持水性能进行了实验研究，实验在内径为 3 e m 的有机玻璃管中进行，发现对于细粒土壤下垫粗粒土壤的情况，由于两种土质 界面的作用，细粒土层的持水性能得到了极其显著的提高，形成了毛管悬着水，且 两种土质的交界面对提高上覆土层的持水性能作用取决于上下两层孔隙大小的差 别。 王全九等【2 0 】根据实验资料，分析具有沙土夹层的黄土入渗特性，及上层黄土厚度 和下层沙土特性对入渗的影响。分析结果表明了上层土壤特性只影响土壤的入渗率， 并不影响沙土的进水吸力，而沙土的特性决定着进水吸力。 李书绅等【2 1 】开展了野外包气带核素迁移实验。由放射源与细石英砂混合组成的 仅7 m m 厚的示踪源层铺设于地面以下6 0 e m 处，实验在人工喷淋条件下进行。近三 年的实验结果表明：核素在垂向上的浓度分布出现一个明显子的低谷( 或称浓度双 峰) ，低谷的位置在源层附近。水分观测结果发现：在上部喷淋水分渗入到细石英砂 层位置时产生绕流。 钱天伟等1 2 2 2 3 选取非放的s r 、n d 和c e 三种元素做示踪剂，在某实验场黄土包 气带上进行了实验。实验结果显示这三种元素在垂向的浓度分布均再次出现了明显 的浓度低谷，证明毛细屏障效应大大降低了核素迁移的速率。 王志明刚【2 5 】等对非饱和水在粗细颗粒介质中的渗流情况进行了实验。实验中双 层介质水平放置，发现尽管粗颗粒层较薄，但位于其上方的示踪剂大部分绕过它向 两侧流动，少部分示踪剂能够通过粗颗粒层下渗。而绕过粗颗粒层的示踪剂在继续 向下渗流过程中，又有一部分折向粗颗粒层下方，相当部分的绕流水是紧贴石英砂 层的下表面运动的，水的相对绕流量随石英砂层的厚度增大而增大。 以上大量实验研究工作证实了粗。细颗粒介质层导致的毛细效应的存在，利用毛 细效应建造的工程屏障能够阻滞水流垂向渗透，从而减轻废物包潜在泄漏危险，为 顶盖的设计提供了新的思路。改变了传统的顶盖设计，并且提出了一些增强毛细屏 障效应的方法( 例如：在毛细阻水层上增加一层高渗透性层或增加毛细屏障层的倾斜 度) ，但对这些方法的功效仍缺乏进一步的实验研究。毛细屏障效应的强弱还与外部 环境降水入渗量、粗颗粒层厚度和细颗粒层厚度都有密切的关系，因此要查明毛细 屏障的作用机理，应对以上诸因素进行系统、综合的研究，一方面查明各因素本身 对毛细屏障效应的影响，更重要的是研究这些因素的复合效应，这也正是本研究的 目的所在。 4 第一章绪论 1 3 研究内容及方法 1 3 1 研究内容 主要是采用箱体实验的方法对水分在毛细屏障结构中的流动规律和影响毛细屏 障作用的诸多因素的复合研究。影响毛细屏障作用的因素包括粗细颗粒介质层厚度、 粗细颗粒介质层交界面的倾斜角度、喷淋强度、粗细颗粒介质的粒径比等。本文对 它们对毛细屏障作用影响趋势和程度的单一、复合效应及相应的机理进行了研究。 从定性和定量两个角度展开实验。 定性实验主要采用带颜色、不吸附的物质作为水流示踪剂，以便能够直观地观 测到水分运动及毛细屏障作用的过程。证明在目前的顶盖设计中采用细颗粒介质覆 盖粗颗粒介质的方法对避免水分入渗的可行性。为进一步开展定量工作提供了参考。 定量实验将在定性实验的基础上，着重对横向流动的水量进行定量观测，以及 在毛细屏障中的基质势分布的监测，从数量和能量的角度分析各种因素对毛细屏障 的影响，以便能对毛细屏障效应的效率进行评估。进一步深化对毛细屏障的认识。 通过以上研究，希望能基本查明毛细屏障效应的作用机理，总结出改进顶盖结构设 计的指导原则。 1 3 2 研究方法 根据前述研究内容，要完成上述任务，拟采取的研究方法如下： 1 、根据野外处置库的实际情况，设计箱体定性实验。基本方法设计如下：箱体 由有机玻璃制成：底部有出水口，并与真空泵相连，以保证箱体内部的非饱和状态。 箱体内主要填充细颗粒介质，中间埋藏有一层粗颗粒介质( 两边未延展到箱体边缘) 。 顶部有喷淋装置j 定时喷淋定量的蒸馏水。在顶部一次性均匀喷洒彩色无吸附性的 示踪剂，在箱体外观察示踪剂在箱体内的运动情况，使用数码相机追踪箱体内水分 运动过程，以便进一步总结分析。 2 、定量实验的基本方法中，准备在粗颗粒层介质的两边分别( 在粗颗粒层下方， 包括粗颗粒层) 放置两块隔水板，在箱体底部3 个不同的隔水部分分别进行水量采集 和观测，来确定横向水流动量( 毛细绕流量) 和穿透粗颗粒层的水量。箱体不同层位、 特别是粗细介质层交界面附近布设一定数量的负压计，确定整个箱体、特别是粗细 颗粒结构中水的流动状态。 对以上定性和定量实验中粗细介质层交界面的倾斜角度、喷淋强度以及粗细 颗粒介质层的厚度分别进行单一因素的实验，获取一些基本规律，随后将以上因素 进行变化、组合，获取这些因素对毛细屏障作用的复合效应结果。 5 第二章水分运动参数测试和拟合 第二章毛细屏障渗流分析 2 1 毛细屏障 2 1 1 毛细屏障的结构 在核废物处置库的顶盖结构中，毛细屏障是非常重要的组成部分。传统的工程 屏障一般由表土、单层阻水层、缓冲层组成，毛细屏障与传统的工程屏障不同在于， 它把原来的单层阻水层改为由两种粒径不同的介质层组成。粗颗粒介质层铺设在细 颗粒介质层的下面。见图2 1 。 毛细屏障单层屏障 表土 细颗粒介质层 粗颗粒介质层 缓冲层 表土 均质层 缓冲层 图2 1 毛细屏障结构图 2 1 2 毛细屏障作用产生原因 2 1 2 1 毛细作用力大小差异 经有关实验表明【1 , 3 , 5 - 7 1 ，当在粗颗粒介质层上覆盖细颗粒介质层时，将使水分向 粗颗粒介质的入渗过程发生延迟，同时水分入渗曲线发生非线性到线性的转折，客观 上达到了降低入渗通量的目的。原因在于上下两种介质的粒径差异。 阐述所述现象的理论依据是拉普拉斯公式 尸：只口f 土+ 上1 7 f 局r 2 ) 式中置，马毛细管弯液面曲率的主要半径； p o 标准表面压力( 即水平面的表面压力) ； p 在该弯液面曲率下的表面压力； 口一该液面的表面张力 根据拉普拉斯公式，凸液面的表面张力 平液面的表面张力 凹液面的表面张力。 对于凹液面而言，曲率半径大的表面张力大于曲率半径小的。由此而知，粗毛细管 中的凹液面的表面张力必大于细毛细管中的凹液面的表面张力。 7 核废物处置库顶盖毛细屏障中水分流动的实验研究 当细颗粒层下伏粗颗粒层时，上层细毛管孔隙与下层粗毛管孔隙必有一部分相 衔接，而使细毛管孔隙扩大。在该上下两土层被湿润至最小持水量之后，并继续从 上面给水( 降雨或者灌溉) 。待停止给水后，土层中的水分达到平衡时，在两土层交 界面之上的细粒土层中所形成的毛管水线，如图2 2 所示( 示意图) ，其上端细孔隙 中弯面液的k l 的曲率半径小于下端两土层交界面处粗孔隙中弯液面i 姐的曲率半 径。根据拉普拉斯公式，弯液面i n n 所具有的方向向上的表面压力大于弯液面k l 所 具有的方向向下的表面压力。依赖于这两个表面压力的差值( 方向向上) ，支持着交 界面之上细粒土层中所形成的超过最小持水量之后的毛管悬着水，兔于向下层渗漏。 从而提高了细粒土层的持水量。 图2 2 两土层交界面上毛管水线示意图【1 9 1 与此相反，当粗颗粒介质层下为细颗粒介质土层时，就无上述现象，所形成的 交界面对上下两土层各自所固有的持水性能均无影响。也就不具有阻滞水垂向流动 的作用。 2 1 2 2 导水率差异 也可以从导水率和基质吸力( 基质势) 的相互关系的角度来解释这种现象。 在粗细介质层交界处附近，两种介质对水分的基质吸力差异不大，但由于两种 介质的导水率差异导致毛细屏障效应的产生。从图2 3 可以看出【2 6 】。当粗细两种介质 的含水率较低时，也即是基质吸力很大时，细颗粒介质导水率很小，但是粗颗粒介 质的导水率几乎不能测得，近似为o ，水分基本不在粗介质层流动。随着含水量的增 加，基质吸力减少，细颗粒介质的导水率逐渐增加，粗颗粒介质的导水率基本保持 不变直到基质吸力小于其进气吸力。在这种情况下，水分不会从细颗粒介质进入粗 颗粒介质层，进而会增加细颗粒介质层中含水量，或者沿着粗细交界面横向流动， 第二章毛细屏障渗流分析 前提是交界面是倾斜的。当交界面的基质吸力等于粗颗粒介质进水吸力时，水分会 进入粗颗粒介质层。随着基质吸力的不断减小，粗颗粒介质的导水率增长迅速并且 大于细颗粒介质的。至此，水分在粗介质层中的导水率不断增加，流动性快速增强， 毛细屏障就失去了阻水的功能。 图2 3 粗细两种介质的导水率和基质吸力的关系图 2 2 非饱和稳定渗流基本理论 很多工程问题受非饱和渗流的影响如降雨入渗、河流和清水或污水的渗漏以及 农田灌溉排水和库水位变化中的土坝渗流等都应该考虑非饱和带的作用。特别是所 谓“毛细屏障 本身就是借助了非饱和的毛细作用构成的屏障，因此研究水分在毛 细屏障中的流动，应该纳入非饱和渗流问题的研究范畴。 水文地质学家和土壤学家对非饱和渗流问题的研究已有很悠久的历史【2 他9 1 。基 本理论是从能量角度出发，引入土水势概念，在假定达西定律适应非饱和渗流的情 况下( 此时的渗透系数是含水量的函数) ，通过类似饱和渗流方法推导非饱和渗流基本 微分方程的。 2 2 1 土水势理论 土水势理论【3 0 】是以能量守恒原理和质量守恒原理为基础建立起来的。土水势就 是土壤水分所具有的势能，其在决定土壤水分的能态和运动上具有极为重要的意义。 任意两点之间土壤水势能之差，即土水势之差，是水分在此两点之间运动的驱动力。 9 核废物处置库顶盖毛细屏障中水分流动的实验研究 一般情况下，可先选定一个标准的参考状态，土壤中任一点的土水势大小可用该点 的土壤水分状态与标准参考状态的势能差值来定义。从热力学观点出发，土水势可 用下式来表达： 沙= y 暑+ 沙，+ + 虬+ r ( 2 1 ) 式中：重力势； 缈口压力势； 基质势； 虬溶质势； c ，r 温度势； 以下对单位重量土壤水分就土水势的各分势进行详细讨论： l 、重力势 重力势是由于重力场的存在而引起的，决定于所论土壤水的高度或垂直位置。 将单位数量的土壤水分从某一点移动到标准参考状态平面处，而其他各项均维持 不变时，土壤水所作的功为该点土壤水的重力势。它仅与计算点和参照基准面的相 对位置有关，与介质的属性无关。如：当参考平面选定后，土壤中坐标为z 的单位重 量土壤水所具有的重力势为 = z ( 2 2 ) 上式中当z 坐标向上为正时取“+ 号，当z 坐标向下为正时取“一 号 2 、压力势 压力势是由于压力场中压力差的存在而引起的。定义标准参考状态下的压力为 标准大气压或当地大气压，若土壤中任一点的土壤水分所受压力不同于参考状态下 的大气压，则该点存在一附加势。对于饱和土壤，地下水面以下深度h 处的单位重 量土壤水分的压力势为： 。= h ( 2 3 ) 所以对于饱和土壤水，其压力势沙。0 。 对于非饱和土壤水，考虑到通气孔隙的连通性，各点所受的压力均为大气压， 故各点附加压力势为o ，即沙。= 0 。但当非饱和土壤中存在有闭塞的未充水孔隙时， 其中与土壤水相平衡的气压可能不同于大气压，由此产生的压力势称为气压势。闭 塞气泡及相应气压势的存在，对土水分布状况有一定的影响，但目前研究一般不考 虑此项。 3 、基质势 1 0 第二章毛细屏障渗流分析 土壤水的基质势是由于土壤基质对土壤水分的吸持作用引起的，一般这种吸持 作用可概括为吸附作用和毛管作用。以不含有土壤基质作用的自由水为标准参考状 态，单位数量的土壤水分由非饱和土壤中的一点移至标准参考状态，除了土壤基质 作用外其他各项维持不变，则土壤水所做的功即为该点土壤水分的基质势。非饱和 土壤水的基质势永远为负值，即少。 0 ；饱和土壤水基质势为零，即妙_ - - - 0 。土壤水 基质对水分吸持作用的大小与土壤中所含水量的多少有关，因此非饱和土壤水的基 质势少。是土壤含水率秒的函数，这一关系极为重要。 4 、溶质势 溶质势是由于土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水分综合作用的结果。参考状 态是以不含有溶质的纯水作为标准的，当土壤中任一点的土壤水含有溶质时，该点 土壤水分便有一定的溶质势。土壤水溶液中的溶质对水分子有吸引力，实施上述移 动时必须克服这种吸持作用对土壤水做功，因此溶质势亦为负值，即虮 0 。 5 、温度势 温度势是由于土中存在温度场的温差引起的。通常认为温差存在而造成的土壤 水分运动通量相对而言是很小的，所以在一般的分析中常被忽略。 土水势的五个分势在实际问题中并不是同等重要，溶质势和温度势通常都可以 不考虑。所以在土体饱和带中，地下水具有的土水势为压力势和重力势之和，其总 水势若以总水头h 表示，可写作： h - - - 矗z ( 2 4 ) 式中：卜静水压力水头，即为压力势，等于地下水面以下深度； 卜位置水头，即为重力势，等于该点到基准面的距离即：坐标。 对于非饱和土壤水，在不考虑气压势的情况下，其总水势由重力势和基质势组 成，即 吵- - - + z ( 2 5 ) 式中：及z 含义同前所述，若将以负压水头h ( h o ) 表示，则( 2 5 ) 式可写成与式 ( 2 4 ) 相同形式，这样相当于将两者统一起来，对于分析饱和一非饱和流动十分方便 有利。此时一般称基质势为负压势，或统称为压力水头h 。以下在分析饱和一非 饱和渗流过程中若无特殊说明，压力水头h 在饱和区代表压力势，大于零；在非饱和区 代表基质势或负压势，小于零：若总土水势用h 表示；重力势用z 表示，z 坐标向上为正； 即在饱和一非饱和区总土水势可统一为式( 2 6 ) 形式： h = h + z( 2 6 ) 核废物处置库顶盖毛细屏障中水分流动的实验研究 2 2 2 非饱和渗流场的计算 2 2 2 1 基本方程式 一般认为支配土中饱和非饱和状态水分运动的基本方程式符合达西定理和连续 性方程。常用的是n e u m a n 所提出的饱和与非饱和耦合计算的数学模型，对于二维饱 和非饱和渗流来说其支配方程式为 昙舻) 尝) + 丢( 后g ) 警州沙) ) - c + 砖) 警 ( 2 7 ) 式中：沙为基质势；最为贮水率，c ( y ) = d o d y 是比水分容量。当墨= l 时， c ( 沙) = 0 ，式( 2 7 ) 成为针对饱和渗流的基本方程式。彩是判断饱和与非饱和状态 的参数，饱和渗流取1 ，非饱和渗流取0 ； 在非饱和渗流状态下，上式可写为： 去( 七) 警) + 丢卜g ) 警坝力) = c ) 詈 ( 2 8 ) 2 2 2 2 初始条件和边界条件 作为初始条件应该知道初始的基质势， 杪协，z ，o j = e o ( x ，z ) ( 2 。9 ) 而边界条件则分为基质势已知和流量已知的边界 少g ，z ，) = 6 ( 工，z ，f ) q l , = 叱o ，z ，f ) 对式( 2 8 ) 进行有限元的定式化可对土中渗流求解 1 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 第三章水分运动参数测试和拟合 第三章水分运动参数测试和拟合 任何渗流问题特别是饱和非饱和渗流问题在有了适当合理的数学模型后，能否 得到准确的求解在很大程度上取决于能否得到可信的多孔介质的非饱和渗流水力特 性及其它渗流参数。就目前的研究水平还很难由土壤的基本物理特性用理论分析方 法导出非饱和渗流的水力特性，主要是通过实验方法来确定。 本章主要通过室内实验获得组成毛细屏障的弧种石英砂的水分特征曲线，再根 据v a ng e n u c h t e n 模型，拟合得到表征土壤非饱和渗流水力特性的参数。 3 1 测试理论与方法 3 1 1 土壤水分特征曲线 土壤水分特征曲线1 3 0 1 是指土壤基质吸力( 基质势) 随土壤含水量变化的关系曲 线。反映了土壤水能量和数量的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映 土壤水基本特性的曲线。由于基质势是负的，通常用其相反数s 即一个正值来表示 其与含水量的关系，该正值定义为基质吸力通常简称为吸力。吸力的有无是区分饱 和状态与非饱和状态的分水岭。国内外研究表明土壤水分特征曲线主要受土壤有机 质含量、颗粒组成、容重等因素的影响。 根据土壤随着基质吸力的变化引起的含水量的变化，可以把水分特征曲线分为 三个不同的阶段1 3 1 1 ： 1 当土壤处于饱和状态，含水量为乡。，若对土壤施加微小的吸力，土壤中尚无水 排出，则含水量值保持不变。 2 当吸力增加至某一临界值s 。后，由于土壤中最小孔隙不能抗拒所施加的吸力 而继续保持水分，于是土壤水分开始排出，相应地含水量开始减小。饱和土壤开始 排水意味着空气随之进入土中，故称该临界值为进气吸力，或进气值。一般来说， 粗质地的砂性土壤或结构良好的土壤其进气值是较小的，而细质地的粘性土壤其进 气值相对较大。 3 在基质吸力超过进气值后继续增大时，土壤水开始首先从大的孔隙再n d , 的孔 隙逐渐排出。由于土壤水先从大孔隙中排出，所以当吸力不大时，随着基质吸力的 变化含水量变化较大：当吸力很高时，只在十分狭小的孔隙中才能保持有限的水分， 所以较大范围的吸力变化才引起较小的含水量变化。当含水量减小到一临界值只时， 吸力再变化也不会减小土壤含水量，此临界含水量称之为剩余含水量或残余含水量。 1 3 核废物处置库顶盖毛细屏障中水分流动的实验研究 s 土 壤 水 吸 力 0 0 图3 1 所示为某种土的土壤水分s 特征曲线 为了分析的方便，常通过数学模型用少量的实验数据确定经验参数或用实验测 定的结果拟合经验公式后制定出土壤水分特征曲线。这两种方法现在研究很多。如： 王金生【3 2 1 等的“包气带土体水分滞留特征研究，邵明型3 3 1 等的“推求土体水分运动 参数的简单入渗法 、徐绍辉p 4 】等的“求土体水力特征的一种迭代法。 常见的数学模型及公式： ( d v a ng e n u c h t e n 模型1 3 5 1 v a ng e n u h t e n 建立的水分特征曲线模型为： 烈炉 赫 住1 ) 式中：h 为吸力水头( c m ) ，口、m 、r 拟合参数系数，n l _ l l 1 1 ，其他参数同 上。 ( 童) b r o o k sa n dc o r e y 模型p 6 1 既= b 地一只) l 鲁l o 2 ) 式中：q 为气泡压力，瓦为孔隙尺寸指数。 ( 要) b r o a d b i r d g e - w h i t e 模型1 3 7 1 b r o a d b i r d g e 和w h i t e ( 1 9 8 8 ) 建立的土体基质势与土体相对含水量的函数关系表 达式： “学一吾1 1 1 研c - o ( 3 3 ) 式中：沙为土体基质势，彳为反映孔隙大小分布的参数，c 为土体结构参数，o 为无量纲含水量，即相对含水量，用下面公式计算： 1 4 第三章水分运动参数测试和拟合 o _ 糟 ( 3 4 ) 式中：乡为体积含水量，o r 为土体残余体积含水量，见为饱和体积含水量。 ( 鸯v i s s e r 模型【3 引，1 9 9 6 力p ) ：掣 ( 3 5 ) 常用的经验公式1 3 0 l s = a 0 6 ( 3 6 ) 或 s = 么( b 一目) ”e ” ( 3 7 ) 式中： 吸力单位s 常用c m 水柱或p a ，以为饱和含水率，其中a 、b 、a 、m 、n 为相应的经验常数。 此外，a s s o u l i n e 3 9 1 和h a v e r k a m p 【钧l 【4 1 1 等利用毛管孔径( d ) 与基质吸力( h ) 的关系建 立了土壤水分特征曲线与土壤机械组成关系的理论模型。 土水特征曲线表示了土壤的一个基本特性，对于无论是土壤非饱和渗流运动分 析研究、基质吸力s 与含水率秒的互相转换，还是不同质地土壤的持水研究都具有十 分重要的作用。因此，能否准确地给出土水关系曲线并了解其各种影响因素是很关 键的影响土水特征曲线的因素主要有以下几个： l 、不同的土壤质地具有不同的土壤水分特征曲线。一般说，土壤的粘粒含量愈 高，同一吸力条件下土的含水率愈高。如图3 2 。 2 、特征曲线还受土壤结构的影响，土壤愈密实，则大孔隙相对愈少，小孔隙相 对愈多，因此同一吸力