利用透明土模拟土壤推断污染液的渗流情况

1、基于透明土模拟土壤对污染液渗透情况的动态研究，平，(中国矿业大学，与地球科学学院，徐州 221000)摘要：对污染液在土壤中的渗流情况的分析，一般都是在理论基础上进行的。在室内沙子模5拟土壤则局限于边界区域的观测，为了能够观测土体内部三的渗流形状，就需要找一种可以模拟天然土体且透明的材料。利用颗粒大小不一的硅或熔融石英砂混合相应的孔隙流体成透明土体，以此研究污染液在土壤中渗流的情况以及在土壤中渗流的范围。配置而成的透明土与天然土壤性质相似可以通过透明土体观测到液体在土壤中渗流的状况，以此来推断污染液在自然土壤中的扩散范围,从而可以解决很多问题。：透明土；石英砂；模拟土壤；污染液号：P332Dy

2、namic study on soil infiltration of contaminated fluid simulation transparent soilZHU Xiaojie,DU Liang,ZHOU Jiaxin,ZHOU Yuchen,LIU Wenping,YU Yueying（School Of Resources And Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221000）Abstract: The development history of introduction of trans

3、parent synthetic soil, and soil preparation of transparent material. In order to facilitate the observation of the object or the experimental results by quantitative analysis, there is necessary to simulate the soil with a transparent soil. Observation of conventional soil confined to the boundary r

4、egion, seepage change cannot pivot inside soil particle size is not liquid, using a silicon or fused quartz sand mixed pore fluid the corresponding manufacture into transparent soil pollution, to study seepage in soil condition and scope of seepage in soil.Analysis of Seepage Contamination in the so

5、il, are generally in theory on the basis of the. Observation simulation soil in the indoor sand is confined to the boundary region, in order to seepage shape capable of observing soil within the three-dimensional space, we need to find a can simulate the natural soil and transparent material. Key wo

6、rds: Transparent soil; Quartz sand; Simulated soil; contamination0引言1015202530透明土试样通常利用颗粒大小不一的硅或熔融石英砂混合相应的孔隙流体而成。它与天然土体的物理力学性质相似，在透明土中可以完成与自然土体一样的变形、渗流、强度等问题的研究。由于这些材料本身呈现出透明状态，且选择的透明土材料与对应的孔隙流体有相同或相近的折射率，光线不经折射就可穿过此透明土体。这样一来，从土体外部就可以实现对内部的观测。在实验中，将相应的颜色差别较大的液体通过滴管慢慢滴入混制而成的透明土之中，可以清楚地观测到液体在透明土中渗流扩散的

7、过程。351透明土的发展有关于透明土的研究要追述到上个世纪八十年代起，当初利用透明土是为了研究土壤内部的岩土特性，当时利用的也仅仅是碎。试验结果表明，1-2由碎与天然土体差别很大，不能精确模拟天然土体的特性，主要表现在碎的透明介质不具有吸附液体的40明介质的透明性。后来，3Iskander，能力，使得一部分空气残碎孔隙体间Sadek 和 Liu 等人对于透明土研究做出了贡献，他们透明土的材料和简单土力学特性做了大量实验，将模拟实验材料限定在一个较小的范围内，初步确定了颗粒大小不一的硅或熔融石英砂作为透明土体模拟材料。45相对于国外，国内的透明土的发展相对缓慢。近年来，4对透明土和相应图像技术在

8、变形测量方面的研究作了相关报告，5利用熔融石英砂和相应有相近折射率的溴化钙溶液了透明土试样，并利用试样进行基本的土力学试验和三轴试验，研究了透明土的工程性质。6和等人则利用透明土进行盾构隧道模型的试验设计和研究，将透明土应用到工程实际中。502模拟土壤我们这个实验主要是在成，分别有长宽高为 150*10*80 和 150*20*80 的两个透明缸,如图.1，分别往里面装满粒径大小不一的沙粒。设计三维高密度电阻率法动态监测系统，建立相应的物理模型，以便模拟出场污染物渗透的真实情况。在利用化学药品模拟土壤，分别制作两块受污染土壤，一份为污染源持续作用，另一份为污染源移除后。利用设计出的三维高密度电

9、阻率法动态监测系统，布设电极，对两块模拟土壤分别55污染范围，进行实时，观测地电场变化情况，并实验数据。图 1. 物理模型示意图Fig.1 Conventional diagram of physical m实验过程比较漫长，能够利用仪器测出的数据得出水在沙子中扩散的情况，但是由于实60验数据是测一次，并不是每一个时刻都下来，而且沙子不是透明物质，所以也观察不到内部的渗透情况，但是本次实验的关键就是要观测到土壤内部的情况，于是就需要透明土用作模拟土壤，利用液体在透明土中的可见性，可以进行实时的观测，液体在透明土中的扩散，以此来得出污染液在在土壤中的扩散实际情况，从而给后期处理土壤提供科学依据。

10、653 透明土壤3.1 透明土颗粒的材料主要材料为颗粒大小不一的石英砂，不溶于水，但又很强的吸附能力。透明土颗粒的石英砂，具有与自然图相近的物理性质、有稳定的化学性，不与水以及模拟孔隙流体的液体反应更重要的是有良好的透明性。用来模拟孔隙流体的溶液，与水具有相似的物理性质、稳定的化学性以及良好的透明性，而且要与模拟土壤颗粒的材料具有相匹配的折射系数、无色、不与模拟土壤颗粒的材料发生化学作用。本次试验中模拟孔隙流体的材料主要运用的是溴化钙和水混合而成的。703.2透明土配置在本次试验中透明土试样的配置起着的作用。75透明土试样的配置主要可以分为以下几个步骤：选取颗粒大小不一的石英砂、配置相同折射率

11、的溴化钙溶液、将石英砂浸入溶液中达到透明的效果。具体步骤主要如下：3.2.1根据颗粒级配配置石英砂本次试验主要是沙子和透明土性质对比，从而达到透明土模拟土壤的效果，所以80选择了与沙子颗粒级相近的石英砂进行配置。用筛选法将沙子的颗粒进行分级主要为0.25-0.5mm 和 0.5-2mm 这两个数量级之间，然后将各级石英砂颗粒再按相同比例混合。同时，为了确保石英砂的颗粒级配尽量与模拟土壤保持一致，要先对购置的石英砂颗粒进行洗净并且晒干，防止杂质掺杂过多，以影响石英砂颗粒的透明土，从而影响到实验的效果。853.2.2根据折射率确定溴化钙浓度光在两种材料间的折射是由两种材料折射率的差异引起的，由于折

12、射率的差异导致不能使石英砂透明。因此，通过查阅文献，本试验中使用与熔融石英砂需折射率相近的溴化钙溶液混合，以避免折射。若两者折射率差异超过容许范围，或孔隙间包含空气和杂质，那么光线在穿透时就会发生一定程度的折射，导致透明土介质降低，影响实验效果。90由于选定的石英砂折射率是确定的，为了配置透明试样，就需要使溴化钙溶液的折射率与石英砂保持一致。为此，我们需要配置出折射率与选定石英砂相近的溴化钙溶液来。由于溴化钙具有很强的吸湿性，在吸收空气中水后会形成 CaBr2·2H2O，从而影响溴化钙溶液折射率的选定，为此，本次试验通过查阅有关透明土的文献后确定了溴化钙浓度大概范围，并通过多次实验使

13、得效果达到最佳。用的95首先，需配置浓度不一的一些列溴化钙溶液，测定其折射率。根据实验结果进行线性拟合，就可以得到溴化钙溶液浓度和折射率的线性关系。据此列出经验公式，将石英砂的折射率代入公式，可得到溴化钙溶液折射率的理论值。由于这个数值是由拟合直线得到的，实际值会与其有一定误差。同时由于外界因素的干扰，溴化钙吸水性的影响，配置出的溴化钙需要在一定浓度范围内进行试验。通过不断调整溶液浓度，观察加入石英砂后溶液的最终确定溶液所需浓度。，1003.3试样根据上面一系列步骤，得出合适的石英砂和溴化钙溶液试样数据。按实验数据配置出标准溶液，将石英砂散落到溶液中，并且搅拌完全后待其达到完全融合，已达到饱和

14、，最后得到透明土试样进行实验。如若不搅拌均匀，与就不能达到完全模拟土壤的效果，使得实验结果不精确；若粗细颗粒的透明土没有混合均匀，而且细颗粒的在表层的话，则很有可能导致液体很难渗透到透明土深处，导致向两边扩散，从而不能模拟出液体在土壤中的渗流情况，而导致实验的失败。1053.4试样实验如下图 Fig. 1-Fig. 2 所示，是整个实验的总体布置，缸内装配置好的透明土，最中110间的部分是入水口，在表层布好电极，利用墨水进行滴入，利用高密度电法仪器进行实时监测，并可以很直观地观测到液体在透明土中渗流情况及其所影响的范围。3.5试验成果115图 2. 透明土微分视电阻率图Fig2. Transp

15、arent soil Wenner differential apparent resistivity120图 3. 砂体微分视电阻率图125Fig3. Sand Wenner differential apparent resistivit将透明土试验得到的数据进行分析，得到图 2 的微分视电阻率图。由图可得，液体的渗流是动态的，呈球状向四周扩散的，效果比较明显。并且，通过对沙子所获得数据进行处理得到图 3 的视电阻率图，由实测曲线很容易发现液体在透明土和模拟土壤中扩散十分相似，因此达到了透明土模拟土壤的效果。1304结论根据上述内容配置而成的透明土与天然土壤性质相似可以通过透明土体观测到液体在土壤中渗流的状况，以此来推断污染液在自然土壤中的扩散范围,从而可以解决很多问题。透明土的这种性质，可以应用到涉及实际工程的许多领域，由于土壤内部是观测不到的， 很多现象是不能够实时观测的，所以利用透明土模拟土壤能够很好的模拟土壤内部发生的一些反应及变化，在室内制作模型已达到预期的实验目的。135参考文献：1,宰,.用于土体内部变形的透明材料的研究J.常州报,2008(S1).1402,Liu Jinyuan.透明土实验技术现状与展望A.煤炭学报,2011(4).3Iskander M,Liu J