CN116087061B - 一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，属于环境岩土技术领域；该测量方法包括以下步骤：步骤(1)：得到材料的渗透系数k；步骤(2)：确定材料满足渗透终止条件的渗流量Q和对应的时间t；步骤(3)：建立混合材料的渗透系数、流量之间的方程组，求解混合材料接触面允许的最大宽度。本发明通过测量不同材料达到渗透终止条件下的渗流量，并根据公式计算出渗透系数，从而推导出隔离屏障与基岩之间接缝处允许的最大宽度的理论公式，为实际工程提供理论支持，保证了隔离屏障可以在给定的渗透系数要求下工作，减少渗漏问题出现。

Description

一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法

技术领域

本发明属于环境岩土技术领域，具体涉及一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法。

背景技术

对于目前现状来说，使用技术手段防止污染物渗流迫在眉睫。在污染场地修复过程中,通常需采用具有低渗透性的竖向隔离屏障对污染区域进行隔离,以阻止污染物扩散迁移。但是在实际施工过程中时常出现污染物在隔离屏障与原位土交接处出现渗漏的问题。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的计算方法，为在不影响隔离屏障渗透系数的条件下对施工过程中控制基岩与隔离屏障之间的缝隙宽度提供理论指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明目的是这样实现的：一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：

步骤(1)：得到材料的渗透系数k；

步骤(2)：确定材料满足渗透终止条件的渗流量Q和对应的时间t；

步骤(3)：建立混合材料的渗透系数、流量之间的方程组，求解混合材料接触面允许的最大宽度。

优选的，所述步骤(1)得到材料的渗透系数k具体操作如下：

通过测量单个材料满足渗透终止条件的渗流量、渗径、试样截面面积、水位差、满足对应渗流量所需要的时间确定渗透系数k，渗透系数k的公式如下：

其中，Q为满足规范ASTM D5084中的达到渗透终止条件的pvf，pvf为孔隙体积流量；L为渗透试样的渗径，一般指渗透试样固结完成后的高度；A为渗透试样的截面面积；Δh为平均水位差；Δt为达到渗流量Q时的所需时间。

优选的，所述步骤(2)中渗流量Q通过三联柔性壁渗透仪试验仪器获得。

优选的，所述步骤(3)中建立混合材料的渗透系数基于相邻材料之间截面不发生反应，建立混合材料的流量与渗透系数的方程组，推导出接缝允许最大宽度的公式：

其中，Q_R为材料实际情况下时间t内流经试样的渗流量、Q_T为材料理论情况下时间t内流经试样的渗流量；L为渗径；k为隔离屏障满足渗透性要求的最大渗透系数；Δt为满足理论渗透终止条件所需要的时间；Δh为平均水头差；d为柔性壁试样的直径。

优选的，所述步骤(3)中渗透试样材料布局根据推导公式是由两种材料组成，若含有三种及以上的材料则需要根据公式推导流程重新推导。

优选的，所述步骤(2)中渗透实验的渗流量Q所使用的渗透试样为内径7cm，横截面积38.4845cm²的柔性壁标准试样。

优选的，所述水位差在保持下游水头不变的情况下通过软件调整上游水头以达到不同水头高度测得渗流速度与水力梯度。

优选的，所述步骤(3)中渗透试样材料布局根据推导公式是由两种材料组成，将两种材料分为材料a、材料b，材料a为渗透试样1、材料b为渗透试样2；

对于材料a的渗透系数，公式如下：

其中，k₁为材料a的渗透系数、Q₁为材料a中达到渗透终止条件的孔隙体积流量、L为渗透试样1的渗径、A为渗透试样1的截面面积；Δh为平均水位差；Δt₁为达到渗流量Q₁时所需的时间；

对于材料b的渗透系数，公式如下：

其中，k₂为材料a的渗透系数、Q₂为材料b中达到渗透终止条件的孔隙体积流量、L为渗透试样2的渗径、A为渗透试样2的截面面积；Δh为平均水位差；Δt₂为达到渗流量Q₂时所需的时间。

优选的，所述材料a的渗透试样1通过将水、凹凸棒土与水泥混合，并搅拌均匀，密封放置在温度为20°、湿度为98％的养护箱中养护28d得到；

所述材料b的渗透试样2通过将与渗透试样1中同样的凹凸棒土与水泥、基岩组合，密封放置在温度为20°、湿度为98％的养护箱中养护28d得到。

与现有技术相比，本发明具有如下改进及优点：1、通过测量不同材料达到渗透终止条件下的渗流量，并根据公式计算出渗透系数，从而推导出隔离屏障与基岩之间接缝处允许的最大宽度的理论公式，为实际工程提供理论支持。

2、隔离屏障施工完成后通过本发明方法及现场实测数据推测隔离屏障与基岩之间的平均缝隙宽度，保证了隔离屏障可以在给定的渗透系数要求下工作，减少渗漏问题出现。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明中使用的三联柔性壁渗透仪仪器图。

图3为本发明中材料的结构示意图。

图4为本发明中缝隙宽度计算方法的系统流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步概述。

本实施例通过具体的工程案例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，测量方法包括以下步骤：

步骤(1)：得到材料的渗透系数k；

通过测量单个材料满足渗透终止条件的渗流量、渗径、试样截面面积、水位差、满足对应渗流量所需要的时间确定渗透系数k，渗透系数k的公式如下：

其中，Q为满足规范ASTM D5084中的达到渗透终止条件的pvf，pvf为孔隙体积流量；L为渗透试样的渗径，一般指渗透试样固结完成后的高度；A为渗透试样的截面面积；Δh为平均水位差；Δt为达到渗流量Q时的所需时间。

步骤(2)：确定材料满足渗透终止条件的渗流量Q和对应的时间t；渗流量Q通过三联柔性壁渗透仪试验仪器获得。

步骤(3)：建立混合材料的渗透系数、流量之间的方程组，求解混合材料接触面允许的最大宽度。

建立混合材料的渗透系数基于相邻材料之间截面不发生反应，建立混合材料的流量与渗透系数的方程组，推导出接缝允许最大宽度的公式：

其中，Q_R为材料实际情况下时间t内流经试样的渗流量、Q_T为材料理论情况下时间t内流经试样的渗流量；L为渗径；k为隔离屏障满足渗透性要求的最大渗透系数；Δt为满足理论渗透终止条件所需要的时间；Δh为平均水头差；d为柔性壁试样的直径。

如图3所示，本实施例以一种凹凸棒土-水泥隔离屏障为例：

材料a为将水、凹凸棒土与水泥混合，并搅拌均匀，密封放置在温度为20°、湿度为98％的养护箱中养护28d，得到渗透试样1；

对于材料a的渗透系数，公式如下：

其中，k₁为材料a的渗透系数、Q₁为材料a中达到渗透终止条件的孔隙体积流量、L为渗透试样1的渗径、A为渗透试样1的截面面积；Δh为平均水位差；Δt₁为达到渗流量Q₁时所需的时间；

具体的，渗透试样1的凹凸棒土的掺量为36％、水灰比(水/水泥)为1.6、试样的孔隙率为0.64；所用水为导电率小于0.1μs/cm的去离子水；凹凸棒土为明光山产出的凹凸棒土，粒度分布d50＝23μm，d90＝63μm；

渗透试样1的具体尺寸为：试样直径7cm，截面面积38.4845cm2；渗透试样1的高度4cm、体积153.938cm3。

材料b为将与渗透试样1中同样的凹凸棒土与水泥、基岩组合，密封放置在温度为20°、湿度为98％的养护箱中养护28d，得到渗透试样2；

对于材料b的渗透系数，公式如下：

其中，k₂为材料a的渗透系数、Q₂为材料b中达到渗透终止条件的孔隙体积流量、L为渗透试样2的渗径、A为渗透试样2的截面面积；Δh为平均水位差；Δt₂为达到渗流量Q₂时所需的时间。

具体的，渗透试样2的凸棒土掺量、水灰比、所用水、具体尺寸与渗透试样1中相同；

凹凸棒土-水泥在渗透试样1的体积占比为50％，具体尺寸为：渗透试样2为直径7cm的半圆、截面面积19.24225cm2；高度4cm、体积76.969cm3；

基岩在渗透试样2的体积占比为50％，直径与高度与渗透试样1相同；渗透试样2的渗透系数为1×10^-18cm/s。

关于测得渗透系数数量级的说明：根据一般工程实际情况来看，材料b一般为基岩或其他渗透性非常低的材料，渗透系数量级一般小于10-18cm/s；材料a一般为隔离屏障回填材料，渗透系数量级一般为10-7cm/s。

将养护好的渗透试样1、2放入三连柔性壁渗透仪中进行渗透；将渗透试样1、2分别放入三联柔性壁渗透仪中，使用橡胶套套住试样，并在渗透试样1、2的上、下面放置透水石，使用橡胶环套住透水石以保证从上游流入的水流只能通过渗透试样流入下流；

为了控制变量，渗透试样1、2均采用相同的围压50kPa、水头差30kPa(水力梯度75)。

具体的，根据渗透试样1在达到满足渗透终止条件的渗流量Q₁时所需要的时间Δt₁根据公式可以得到渗透试样1的渗透系数k₁

其中，Q₁＝187.8cm³、L＝4cm、A＝38.4845cm²、Δh＝300cm、Δt₁＝2520890s；透试样1的渗透系数k₁＝2.58×10^-8cm/s；

假设渗透试样2中的凹凸棒土-水泥与基岩不存在缝隙，则理论上渗透试样2满足渗透终止条件的渗流量时所需要的时间为Δt₂＝Δt₁＝2520890s、渗流量Q_T＝93.9cm³；

实际通过柔性壁三联渗透仪器对渗透试样2进行渗透试验后，发现在Δt₂的时间内，渗透试样2的渗流量Q_R＝104.82cm3大于理论渗流量Q_T，渗透试样2的渗透系数k₂＝2.88×10^-8cm/s；证明渗透试样2中凹凸棒土-水泥与基岩之间存在缝隙。

在隔离屏障达到渗透性的要求一般是满足渗透系数小于1×10^-7cm/s，则假设接缝处满足隔离屏障的渗透性的要求k＝1×10^-7cm/s；

由于基岩的渗透系数为1×10^-18cm/s，在Δt₁时间内的渗流量为1.89×10^-10cm³，数量级过小，所以在此直接假设基岩侧不发生渗透；

则凹凸棒土-水泥与基岩之间允许的最大度为：

其中，Q_R＝104.82cm3、Q_T＝93.9cm³、L＝4cm、k＝1×10^-7cm/s、Δt＝2520890s、Δh＝300cm、d＝7cm。

根据计算得w＝8.3×10^-4m。即在凹凸棒土-水泥与基岩之间的缝隙只要小于w则可以满足隔离屏障的渗透性要求。

根据之前分析，确定方程组各系数后，针对每一材料部分列出渗透系数求解计算式，获得整个材料允许的最大渗透系数，然后求解接缝处允许最大宽度，最后分析理论计算数据与实际工程测试数据是否吻合。

Claims (7)

1.一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：

步骤(1)：得到材料的渗透系数k；

得到材料的渗透系数k，具体操作如下：

通过测量单个材料满足渗透终止条件的渗流量、渗径、试样截面面积、水位差、满足对应渗流量所需要的时间确定渗透系数k，渗透系数k的公式如下：

其中，Q为满足规范ASTM D5084中的达到渗透终止条件的pvf，pvf为孔隙体积流量；L为渗透试样的渗径，一般指渗透试样固结完成后的高度；A为渗透试样的截面面积；Δh为平均水位差；Δt为达到渗流量Q时的所需时间；

步骤(2)：确定材料满足渗透终止条件的渗流量Q和对应的时间t；

步骤(3)：建立混合材料的渗透系数、流量之间的方程组，求解混合材料接触面允许的最大宽度；

建立混合材料的渗透系数基于相邻材料之间截面不发生反应，建立混合材料的流量与渗透系数的方程组，推导出接缝允许最大宽度的公式：

其中，Q_R为材料实际情况下时间t内流经试样的渗流量、Q_T为材料理论情况下时间t内流经试样的渗流量；L为渗径；k为隔离屏障满足渗透性要求的最大渗透系数；Δt为满足理论渗透终止条件所需要的时间；Δh为平均水头差；d为柔性壁试样的直径。

2.根据权利要求1所述的一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中渗流量Q通过三联柔性壁渗透仪试验仪器获得。

3.根据权利要求1所述的一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中渗透试样材料布局根据推导公式是由两种材料组成，若含有三种及以上的材料则需要根据公式推导流程重新推导。

4.根据权利要求1所述的一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中渗透实验的渗流量Q所使用的渗透试样为内径7cm，横截面积38.4845cm²的柔性壁标准试样。

5.根据权利要求2所述的一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，其特征在于：所述水位差在保持下游水头不变的情况下通过软件调整上游水头以达到不同水头高度测得渗流速度与水力梯度。

6.根据权利要求1所述的一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中渗透试样材料布局根据推导公式是由两种材料组成，将两种材料分为材料a、材料b，材料a为渗透试样1、材料b为渗透试样2；

对于材料a的渗透系数，公式如下：

其中，k₁为材料a的渗透系数、Q₁为材料a中达到渗透终止条件的孔隙体积流量、L为渗透试样1的渗径、A为渗透试样1的截面面积；Δh为平均水位差；Δt₁为达到渗流量Q₁时所需的时间；

对于材料b的渗透系数，公式如下：

其中，k₂为材料a的渗透系数、Q₂为材料b中达到渗透终止条件的孔隙体积流量、L为渗透试样2的渗径、A为渗透试样2的截面面积；Δh为平均水位差；Δt₂为达到渗流量Q₂时所需的时间。

7.根据权利要求6所述的一种隔离屏障与基岩接缝处允许最大缝隙宽度的测量方法，其特征在于：所述材料a的渗透试样1通过将水、凹凸棒土与水泥混合，并搅拌均匀，密封放置在温度为20°、湿度为98％的养护箱中养护28d得到；

所述材料b的渗透试样2通过将与渗透试样1中同样的凹凸棒土与水泥、基岩组合，密封放置在温度为20°、湿度为98％的养护箱中养护28d得到。