寒旱区GCL防渗性能研究及相关机理分析

论文摘要

随着水资源供需矛盾的加剧,节约利用水资源引起了各行业的高度重视,农业是用水大户,实施节水灌溉工程势在必行,其中渠道衬砌防渗工程以其施工简单、造价低等优点,得到了广泛的推广与应用。我国西北地区干旱、寒冷、盐渍化严重,渠道防渗材料的选择受到一定的限制,目前该地区渠道衬砌的主要材料为混凝土板,存在费用高、抗冻胀性能差、施工工期长、衬砌失效后固体废弃物污染环境等一系列突出问题,因此筛选新型防渗衬砌新材料是当前灌区面临的重要问题,其研究具有重要的实用价值及现实意义。本文通过室内实验和工程现场试验对复合土工膨润土垫（Geosynthetic Clay Liner）在寒旱盐渍化地区的防渗特性及相关机理进行如下研究:（1）测试GCL基本特性,结合研究区特点及GCL产地进行了试样筛选;（2）探讨了膨润土在不同电解质溶液中的膨胀特性、流变性、粘度、滤失量;（3）冻融循环及离子双因素耦合作用对膨润土特性及GCL防渗性能影响;（4）进行了高温、低温、高低温循环、紫外线照射、水泥砂浆浸泡、工程现场老化实验,分析GCL的力学性能变化;（5）用微观方法研究了膨润土的结构,通过微观结构参数（水力半径、形态指标、表面分维、孔隙率）分析膨润土结构变化。得到以下有价值的结论和成果:（1）膨润土的水化过程是分阶段进行的,电解质类型及浓度对膨润土特性有显著影响,膨润土自由膨胀体积、膨胀后的含水率、滤失量与水化液中离子浓度、化合价呈负相关,滤饼厚度、渗透系数则相反,呈正相关;水化液为黄河水时,悬浮体剪切应力增加,触变性降低。切应力的大小与膨润土颗粒分散度、细小颗粒含量呈正相关,与水化液电解质浓度呈负相关。（2）冻融循环改变膨润土颗粒结合方式,导致粘结性降低,分散性增强,自由膨胀体积、膨胀后的含水量、剪切应力增加,滤失量、滤饼厚度降低;水化液为蒸馏水、黄河水时,31次冻融循环后自由膨胀体积均值增加了17.8%、32.8%。含水率均值增加了9.3%、16.8%,EC值增加了32.7%、24.9%,剪切应力增加了38.0%、37.1%;滤失量均值降低了24.3%、23.4%;滤饼厚度降低了19.4%、15.4%。渗透系数约增加了1个数量级,但仍较小,仅为衬砌前渠床土壤渗透率的0.35%0.72%。渗出过程中有膨润土颗粒滤出,滤出液EC值降低了55.3%、48.0%。（3） GCL应力-应变曲线呈“M”型,有两个屈服点,分四个阶段:下层织物弹性非线性变形阶段;下层织物极限断裂阶段;上层织物弹性非线性变形阶段以及极限断裂阶段。高温、低温、高-低温循环、温度-湿度耦合、紫外线照射、水泥砂浆浸泡均导致GCL的力学性能降低,影响较大的因素为高温和紫外线照射。工程现场试验表明,试验第1年力学性能降低幅度较大,随着泥沙淤积形成覆盖层,老化速度降低。（4）GCL应力-应变关系可用高斯双峰拟合得到的本构方程描述,经检验,有较好的相关性。其系数与不同老化因素呈指数、对数关系,使用年限预测结果表明,30年后其残余应力值可达到30%。（5） X荧光光谱分析结果表明:试样有良好的结晶度及层状结构,膨润土的主要成分为SiO2。黄河水水化冻融后金属氧化物的含量略有增加。膨润土SEM图像表明:电解质浓度及冻融循环影响膨润土孔隙分布、孔隙表面特征及孔隙的大小,可以通过膨润土微观结构的孔隙表面分维、孔隙率、水力半径和形态等微观结构参数描述。试样水力半径在33.18372.11μm之间;孔隙率在6.21%69.69%之间,表面分维在1.181.22之间,形态指标在0.050.52之间,孔隙主要以不规则板状孔隙结构为主。工程现场试验2年后膨润土孔隙率增加。（6）根据研究成果结合试验区特殊环境,提出了GCL在类似地区应用的工程措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 GCL 简介
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 渗透系数研究
• 1.3.2 膨润土流变性研究
• 1.3.3 GCL 老化性能研究
• 1.3.4 GCL 干湿及冻融对防渗性能影响研究
• 1.3.5 膨润土微观结构研究
• 1.4 研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容及创新点
• 1.4.3 技术路线
• 2 实验材料基本特性
• 2.1 实验材料结构
• 2.2 试样筛选
• 2.3 膨润土性能测试
• 2.3.1 膨润土吸水实验
• 2.3.2 膨润土脱水实验
• 2.3.3 膨润土自由膨胀体积测试
• 2.3.4 膨润土流变性
• 2.4 GCL 力学性能测试
• 2.4.1 实验材料与方法
• 2.4.2 实验结果分析
• 2.5 GCL 愈合能力测试
• 2.5.1 实验方法
• 2.5.2 实验结果分析
• 2.6 本章小结
• 3 电解质对 GCL 特性影响
• 3.1 膨润土水化理论
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 电解质对膨润土自由膨胀体积影响
• 3.2.2 GCL 渗透系数影响因素分析
• 3.2.3 电解质对膨润土含水率影响
• 3.2.4 电解质对膨润土流变性影响
• 3.2.5 电解质对膨润土滤失量影响
• 3.3 实验结果分析
• 3.3.1 电解质对膨润土自由膨胀体积影响
• 3.3.2 离子价对自由膨胀体积影响
• 3.3.3 水化离子半径对膨润土自由膨胀体积影响
• 3.3.4 溶液特性对 GCL 渗透系数影响
• 3.3.5 溶液特性对膨润土含水率影响
• 3.3.6 电解质溶液中膨润土悬浮体流变性
• 3.3.7 电解质溶液中膨润土悬浮体滤失量
• 3.4 本章小结
• 4 冻融作用对膨润土特性影响
• 4.1 研究区概况
• 4.2 冻胀土体结构影响
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 冻融试样准备及自由膨胀体积测试
• 4.3.2 冻融后膨润土含水率测试
• 4.3.3 冻融后膨润土悬浮体流变性
• 4.3.4 冻融后膨润土悬浮体滤失量测定
• 4.3.5 冻融后 GCL 渗透系数测试
• 4.4 结果分析
• 4.4.1 冻融循环对膨润土自由膨胀体积影响
• 4.4.2 冻融循环对膨润土含水率影响
• 4.4.3 冻融循环后膨润土悬浮体流变性
• 4.4.4 冻融循环后膨润土悬浮体滤出液累积量
• 4.4.5 冻融循环后 GCL 防渗性能
• 4.5 本章小结
• 5 GCL 力学性能研究
• 5.1 土工织物老化研究方法
• 5.2 实验材料与方法
• 5.2.1 GCL 高温老化实验
• 5.2.2 GCL 低温老化实验
• 5.2.3 GCL 高低温循环老化实验
• 5.2.4 紫外线照射老化实验
• 5.2.5 温度与湿度耦合老化实验
• 5.2.6 水泥砂浆浸泡老化实验
• 5.2.7 工程现场老化试验
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 高温作用后 GCL 力学性能
• 5.3.2 低温作用后 GCL 力学性能
• 5.3.3 高低温循环作用后 GCL 力学性能
• 5.3.4 紫外线照射后 GCL 力学性能
• 5.3.5 温度湿度耦合作用后 GCL 力学性能
• 5.3.6 水泥砂浆浸泡后 GCL 力学性能
• 5.3.7 工程现场试验 GCL 力学性能
• 5.4 GCL 本构模型分析
• 5.4.1 冻融循环作用 GCL 力学性能预测
• 5.4.2 工程现场实验 GCL 力学性能预测
• 5.5 本章小结
• 6 膨润土微观结构分析
• 6.1 实验材料与方法
• 6.1.1 X 射线荧光光谱分析
• 6.1.2 电子显微镜扫描
• 6.1.3 微观结构定量分析
• 6.2 结果分析
• 6.2.1 X 荧光光谱分析
• 6.2.2 离子作用后膨润土 SEM 图像分析
• 6.2.3 黄河水水化冻融后膨润土 SEM 图像分析
• 6.2.4 工程现场试验2 年膨润土 SEM 图像分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者简介