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原位连续贯入式TDR探头研发及其在污染场地勘察中的应用

穆青翼  
【摘要】:随着社会经济的不断发展,场地污染问题逐渐凸显出来,各类水土污染事件(如重金属,非水相液体(NAPLs)污染)频频发生,引起了社会各界的高度重视。然而,如何对污染场地进行快速、经济、准确的勘察,相关的研究及技术进展相对较为滞后。本文通过数值模拟、单元体试验及模型试验,主要进行了三针式TDR探头测试介质范围和趋附效应分析及试验验证;TDR技术探测NAPLs污染土适用工况的界定;贯入式TDR探头电极排列的优化设计以及贯入式TDR探头探测土层含水量、探测渗滤液和NAPLs污染土的模型试验,获得了一系列有意义的结论。 (1)利用渗流分析软件Geostudio中的SEEP/W模块可以较好的对三针式TDR探头测试介质范围及趋肤效应进行分析。对于探针直径在4-8mm和相邻探针间距在15-60mm的三针式TDR探头,其测试介质范围随探针间距的增加而显著增加,并与其有二次曲线的拟合关系,探针直径对测试介质范围影响不大;趋附效应随探针间距的增加而增加,随探针直径的增加而减小,且其与由探针间距与探针直径的比值有二次曲线的拟合关系。以上述拟合公式为基础,提出了考虑介质范围及趋肤效应的三针式TDR探头设计方法。 (2).对于NAPLs-水-气-砂土均匀混合情况下,当体积含水量一定,NAPLs体积含量逐渐增加时,介质的介电常数有小幅度的变化,电导率几乎不变,无固定规律。当NAPLs体积含量一定,体积含水量逐渐增加时,介质的介电常数和电导率均有较大幅度的增加。当NAPLs和水的总液体体积含量一定时,介质的介电常数和电导率随体积含水量与NAPLs体积含量相对比例的增加而较大幅度增加,此种情况下,运用理论的介电混合模型预测介电常数时较实测值偏大,半经验的α模型则能很好的预测。 (3)对于NAPLs污染砂土与非污染砂土层状分布情况下,当NAPLs污染砂土层位于饱和砂土层之间时,利用TDR测得的介电常数可以探测该污染土层,并且利用反射波形信息可以较准确的反算污染土层界面的位置;当NAPLs污染砂土层位于干砂土层之间时,利用TDR测得的介电常数不能明显的探测该污染砂土层,其反射波形也不能反映污染砂土层界面的位置;当NAPLs污染砂土层位于上干下饱和的砂土层之间时,其反射波形可以反映柴油污染砂土层与饱和砂土层界面,但不能反映与干砂土层界面。 (4)通过提出的贯入式TDR探头测试目标介质及绝缘棒介质权重分配比关系式,对现有的贯入式TDR探头测试目标介质敏感性进行了数值及试验分析,验证了该权重分配比关系式以及数值计算方法的有效性。分析结果可知,不合理的贯入式TDR探头设计将导致很低的测试目标介质敏感性,从而影响其测试精度。 (5)通过贯入式TDR探头测试目标介质敏感性的数值分析方法,笔者优化了贯入式TDR探头的电极排列并研制了新型贯入式TDR探头,其测试目标介质敏感性较现有贯入式TDR探头增大20%左右,因此,该贯入式TDR探头测试精度也有相应的增加。通过室内测试介电常数和电导率的标定试验,该贯入式TDR探头测试介电常数和电导率的反射波形稳定,且易于识别。介电常数和电导率的标定公式具有较高的线性度。 (6)通过模型试验测试可知,所研制的贯入式TDR探头在贯入状态下可较准确的测试不同深度土层的介电常数和电导率,且通过这两个电学性质参数,可较好的测试不同深度土层含水量、探测渗滤液以及NAPLs污染土。


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