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《内蒙古农业大学》 2011年
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寒旱区GCL防渗性能研究及相关机理分析

周春生  
【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33.18~372.11μm之间;孔隙率在6.21%~69.69%之间,表面分维在1.18~1.22之间,形态指标在0.05~0.52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。
【学位授予单位】:内蒙古农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TV441

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