专利名称：一种对污染物竖向隔离屏障进行模拟的装置及方法
技术领域：
本发明属于环境及岩土工程领域，涉及一种用于阻滞污染物迁移的竖向隔离工程屏障的模型装置，尤其是对于各类竖向隔离工程屏障修复场地中污染液在土层中的迁移规律及污染物击穿或绕流进行模拟的装置。
背景技术：
常规的竖向隔离工程屏障阻滞性能评价主要通过有效扩散系数和阻滞因子测定，结合对流-弥散-扩散迁移理论，以计算污染物击穿竖向隔离工程屏障材料的时间。这类评价方法无法考虑竖向隔离工程屏障的施工过程及周围土层性质对阻滞性能的不利影响。同时无法预测污染物通过绕流的形式穿越竖向隔离工程屏障的时间。污染物迁移通过竖向隔离工程屏障有两种方式:击穿和绕流。所谓击穿是指污染物迁移通过竖向隔离工程屏障进入原本未受污染的土层；所谓绕流是指污染物由于竖向隔离工程屏障的存在形成向下迁移的运动趋势，并通过迁移至竖向隔离工程屏障底部的方式进入原本未受污染的土层。目前，为保证不出现污染物以绕流的形式迁移通过竖向隔离工程屏障，竖向隔离工程屏障的深度设计通常达到嵌岩深度。这样的设计不仅极大地增加了施工难度，而且造成巨大的材料浪费。相反，限于施工设备的限制竖向隔离工程屏障的实际宽度基本处于
0.5m至Im之间。部分将竖向隔离工程屏障的深度范围设计在受污染土层深度，更是未能够考虑到污染物绕流迁移形式的存在。事实上，污染物通过击穿或绕流中任意一种方式迁移进入未受污染土层，则可认为竖向隔离工程屏障失效。因此，科学地设计竖向隔离工程屏障的深度及宽度，需要同时结合污染物击穿和绕流迁移通过竖向隔离工程屏障的时间。对于不同土层及地下水条件，这两者均会发生显著的变化。通常，土体电阻率或水体的电导率值随不同类型的污染物作用而发生显著改变。例如，在受到重金属污染物作用时，土体的孔隙水或地下水的电导率值将发生增大，对于单一重金属元素而言，其数值与重金属污染物浓度呈现正相关性；对于受到有机污染物的影响，土体的孔隙液或地下水的电导率值则出现发生减小。利用这一原理，可以通过土体中孔隙液电导率值的实时监测，准确预测污染物在土层中的浓度分布及其迁移路径。目前尚未有能够通过实时监测的手段观察污染物在竖向隔离工程屏障修复场地的迁移规律，也未能够有效地通过室内试验明确污染物在特定土层、污染深度范围及地下水条件下绕流通过竖向隔离工程屏障的时间。
发明内容
技术问题:本发明提供一种可以对污染物在土层中的迁移进行实时监测，通过土层各处电导率值的变化描绘污染物的迁移路径，评价污染物击穿和绕流迁移通过竖向隔离工程屏障的时间，为特定场地条件下竖向隔离工程屏障施工设计提出科学的依据，也为污染物迁移数值模拟研究分析提供实测数据加以验证的对污染物竖向隔离屏障进行模拟的装置，同时提供了一种应用该装置的方法。技术方案:本发明的对污染物竖向隔离屏障进行模拟的装置，包括箱体、位于箱体顶部上方的密封顶盖、位于箱体底部的素混凝土垫层、位于箱体内部的竖向隔离屏障填充区、受污染土体填充区和未受污染土体填充区，竖向隔离屏障填充区和未受污染土体填充区之间设置有第一竖向挡板，竖向隔离屏障填充区和受污染土体填充区之间设置有第二竖向挡板，受污染土体填充区的底部设置有将其与未受污染土体填充区分割开的水平向挡板，未受污染土体填充区的下部设置有穿过箱体的排水管，密封顶盖与箱体顶部之间设置有橡胶密封垫层和多孔垫板，密封顶盖下侧设置的凸台依次穿过橡胶密封垫层和多孔垫板后与竖向隔离屏障填充区连接，箱体的一个立面上设置有多个与箱体内部连通的安装孔，箱体内部设置有多个从安装孔插入的在线工业电导率电极，多孔垫板中设置有相互连通的竖向孔道，受污染土体填充区一侧的箱体侧立面上设置有与竖向孔道连通的第一注水管道，未受污染土体填充区一侧的侧箱体立面上设置有与竖向孔道连通的第二注水管道。本发明中，受污染土体一侧的箱体立面上设置有用于抽放水平向挡板的水平槽口，箱体立面外侧设置有用于密封水平槽口的侧向橡胶垫层和侧向盖板。本发明中，在线工业电导率电极通过安装孔嵌入箱体内，在线工业电导率电极与安装孔之间通过O型密封垫圈密封。本发明中，多孔垫板采用聚氯乙烯材料，分为两块，分别设置于填充区受污染土体和填充区未受污染土体上方。安装孔安装孔安装孔本发明的用于阻滞污染物迁移的竖向隔离工程屏障的模型装置的测试方法，包括以下步骤:第一步:在线工业电导率电极与数据采集仪标定和调试，并将在线工业电导率电极嵌入各模型箱侧向安装孔，通过O型密封垫圈进行固定和密封；第二步:关闭双向阀、双向阀和双向阀，向模型箱底部放入素混凝土层，向第一水箱注入去离子水，向第二水箱注入模拟污染溶液；第三步:将未受污染土体填筑至竖向隔离工程屏障在模型箱内的设计深度处，采用蒸馏水饱和；第四步:根据竖向隔离工程屏障模拟宽度设计，在模型箱内竖向隔离工程屏障
(I)设计部位的两侧分别设置第一竖向挡板和第二竖向挡板，将竖向隔离工程屏障材料填筑入第一竖向挡板和第二竖向挡板之间；第五步:在设计填筑未受污染土体一侧，将未受污染土体填筑至模型箱顶部；第六步:在设计填筑受污染土体一侧，将未受污染土体填筑至受污染土体的设计深度，采用蒸馏水饱和未受污染土体，此时在其上部设置水平向挡板；第七步:在设计填筑受污染土体一侧，即所设置水平向挡板的上部填筑受污染土体至模型箱顶部，采用模拟污染溶液进行饱和；第八步:将所述第四步中设置的第一竖向挡板和第二竖向挡板抽出；第九步:在受污染土体和未受污染土体顶部放置多孔垫板，并垫上橡胶密封垫层，模型箱顶部通过密封顶盖封闭；第十步:打开双向阀和双向阀，通过调节气压控制阀设置第一水箱内的水压；
第十一步:抽出水平向挡板，并通过侧向橡胶垫层和侧向盖板对模型箱水平槽口进行密封；第十二步:观察模型箱上部与密封顶盖、各在线工业电导率电极与模型箱侧向安装孔以及模型箱水平槽口是否出现渗水现象，若出现渗水现象，则按照所述第二步、第九步和第i^一步中的方式继续密封工作，若无渗水现象则进行第十三步；第十三步:通过在线工业电导率电极对模型箱内各处土体的电导率值变化的实时监测，描绘污染物的迁移轨迹，以评价污染物迁移造成其击穿或绕流通过竖向隔离工程屏障的方式；第十四步:打开双向阀，并关闭双向阀和双向阀，对模型箱进行排水，开启密封顶盖，依次取出橡胶密封垫层和多孔垫板，对测试后的竖向隔离工程屏障进行取样。有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:1.实现了污染物在竖向隔离工程屏障修复土层中迁移的实时监测。通过模拟竖向隔离工程屏障的不同深度和宽度、两侧的土层性质、污染源深度范围及地下水流动条件，明确了各工况下污染物的实际迁移路径、击穿及绕流时间，为竖向隔离工程屏障深度设计提供了科学的依据；对已有污染物迁移的数学模型及其研究分析提供实测数据以加以验证。2.测试成本低廉，操作简便。利用本发明提供的测试装置进行测试时，可以实时监测污染物的迁移路径，对单一类型的重金属污染物可预测其浓度分布及变化趋势。完成测试装置的整体安装后，不必进行人工操作，简化了测试的操作过程、降低了测试成本。
图1是本发明装置的结构图。图中有:竖向隔离工程屏障1、受污染土体2、未受污染土体3、素混凝土垫层4、第一侧竖向挡板5、第二侧竖向挡板6、水平向挡板7、密封顶盖8、凸台81、橡胶密封垫层9、多孔垫板10、第一水箱11、气压控制阀12、空气压缩机13、双向阀14、第二水箱15、双向阀16、模型箱侧向安装孔17、0型密封垫圈18、在线工业电导率电极19、数据采集仪20、第一注水管道21、水平槽口 22、侧向橡胶垫层23、侧向盖板24、双向阀25、第二注水管道31、排水管32。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。本发明中提及的竖向隔离工程屏障可以是注浆帷幕、水泥土搅拌墙、土-膨润土系竖向隔离墙、土 -水泥-膨润土系竖向隔离墙、钢板桩等各类工程屏障；污染物可以是重金属污染液和有机物污染液。本发明的测试装置是通过在线工业电导率电极对土体中孔隙水溶液电导率值的变化，确定污染物在竖向隔离工程屏障修复场地中的迁移规律、击穿及绕流时间。如图1所示，本发明的一种黏性土试样的性能测试装置，包括竖向隔离工程屏障
1、受污染土体2、未受污染土体3、素混凝土垫层4、第一侧竖向挡板5、第二侧竖向挡板6、水平向挡板7、密封顶盖8、凸台81、橡胶密封垫层9、多孔垫板10、第一水箱11、气压控制阀12、空气压缩机13、双向阀14、第二水箱15、双向阀16、模型箱侧向安装孔17、0型密封垫圈18、在线工业电导率电极19、数据采集仪20、第一侧注水通道21、水平槽口 22、侧向橡胶垫层23和侧向盖板24、双向阀25、第二注水通道31。密封顶盖8与多孔垫板10之间隔有一层橡胶密封垫层9以保证T型密封顶盖8与模型箱4四周整体无空隙。T型密封顶盖8突出部分的高度与多孔垫板10的厚度一致。模型箱采用聚氯乙烯(PVC)材料，测试过程中呈密封状态。密封顶盖8、橡胶密封垫层9、多孔垫板10从上向下依次放置于模型箱之上。模型箱一侧设置水平槽口 22，开口的厚度等于水平向挡板7的厚度，开口的宽度等于模型箱内侧的宽度。模型箱内侧的宽度为0.1m,高度为1.3m,长度为0.8m。进一步，水平向长细开口能够使水平向挡板7自模型箱侧向抽出。水平槽口 22处在测试过程中通过侧向橡胶垫层23和侧向盖板24进行密封。第一竖向挡板5、第二竖向挡板6、水平向挡板7、密封顶盖8和多孔垫板10采用聚氯乙烯(PVC)材料，宽度等于模型箱内侧的宽度。素混凝土垫层4的长度与宽度分别等于模型箱内侧的长度和宽度。模型箱顶部通过密封顶盖8与橡胶密封垫层9封闭，两者通过螺栓固定。凸台81部分的高度与多孔垫板10的厚度一致。进一步，橡胶密封垫层9的尺寸大于模型箱竖向俯视下的外径尺寸，橡胶密封垫层9中设置一矩形开孔，其尺寸及形状与密封顶盖8突出部分的尺寸及形状一致，矩形开孔的位置与凸台81部分对应。多孔垫板10采用聚氯乙烯(PVC)材料，分为左右两块，分别设置于竖向隔离工程屏障I两侧受污染土体2和未受污染土体3的顶部之上，两者的形状和尺寸与受污染土体2和未受污染土体3竖向俯视下截面积的形状和尺寸一致。多孔垫板10的各竖向孔道水平向联通，并与第一水箱11及第二水箱15相连，分别通过双向阀14及双向阀16控制开关。素混凝土垫层4采用预制的素混凝土板，置于模型箱的底部，其尺寸与模型箱内侧截面的形状及尺寸一致，厚度为50mm，以保证模型箱整体稳定。在线工业电导率电极19在模型箱内所嵌入安装的位置与模型箱侧向安装孔17一一对应，在线工业电导率电极19的间距应不小于150mm，以避免相邻电极测试间的干扰。在线工业电导率电极19的分布于竖向隔离工程屏障I的两侧及其下部，呈中间密、两侧疏，下部密、上部疏的形式。进一步，在线工业电导率电极19在受污染土体2及未受污染土体3向模型箱内填筑之前完成安装，并通过O型密封垫圈18保证两侧各模型箱侧向安装孔17与在线工业电导率电极19之间无空隙。在线工业电导率电极19与配套数据采集仪20连接，保证数据的实时采集和读取。进一步，在线工业电导率电极的量程达到20mS/cm以，所配套的数据采集仪的数据记录间隔不大于30min。例如，采用上海博取仪器有限公司DDJ型在线工业电导率电极(测量范围0-20000 μ S/cm、电极常数10.0)及DDG2080型工业电导率仪受污染土体和未受污染土体均为饱和土范畴，采用砂性土，以保证准确测定土体中孔隙水溶液的电导率值。上述性能测试装置的测试方法包括以下步骤:第一步:对在线工业电导率电极19与数据采集仪20进行标定和调试，并将在线工业电导率电极19嵌入各模型箱侧向安装孔17，通过O型密封垫圈18进行固定和密封；第二步:关闭双向阀14、双向阀16和双向阀25，向模型箱底部放入预制的素混凝土垫层4，防止模型箱失稳；第三步:根据所需要模拟的周围土层条件确定未受污染土体3的孔隙比和级配，并将其填筑至竖向隔离工程屏障I在模型箱内的设计深度处，采用蒸馏水饱和；第四步:根据模拟宽度设计，在模型箱内竖向隔离工程屏障I设计部位的两侧分别设置第一竖向挡板5和第二竖向挡板6，将竖向隔离工程屏障材料填筑入第一和第二竖向挡板之间；第五步:在设计填筑未受污染土体3 —侧，继续将未受污染土体3填筑至模型箱4顶部，注意避免扰动已固定的在线工业电导率电极19 ；第六步:在设计填筑受污染土体2 —侧，将未受污染土体3填筑至受污染土体2的设计深度，采用蒸馏水饱和已填筑的未受污染土体3，此时在其上部设置水平向挡板7 ；第七步:在设计填筑受污染土体2—侧，即所设置水平向挡板7的上部填筑受污染土体2至模型箱4顶部，采用模拟污染溶液进行饱和；第八步:将第三步中所设置的第一竖向挡板5和第二竖向挡板6缓慢抽出，并注意避免对已经填筑的受污染土体2、未受污染土体3及竖向隔离工程屏障I产生扰动；第九步:在受污染土体2和未受污染土体3顶部放置多孔垫板10，并垫上橡胶密封垫层9。模型箱顶部通过密封顶盖8和螺栓封闭；第十步:打开双向阀14和双向阀16，按照模拟竖向隔离工程屏障两侧的水头差要求，调节气压控制阀12设置第一水箱11内的水压；第十一步:抽出水平向挡板7，并通过侧向橡胶垫层23和侧向盖板24对模型箱水平槽口进行密封；第十二步:此时模型箱应当处密闭状态，观察模型箱上部与密封顶盖8、各在线工业电导率电极19与模型箱侧向安装孔17以及模型箱水平槽口 22是否出现渗水现象。若出现渗水现象，则检查并重复第二步、第九步以及第i^一步中的密封工作，必要时在渗水处通过硅胶等止水材料进行密封，若无渗水现象则进行第十三步；第十三步:通过在线工业电导率电极19对模型箱内各处土体的电导率值变化的实时监测，描绘各布点处电导率值的的变化，以确定污染物的迁移轨迹，通过连续观测明确污染物迁移造成其击穿或绕流通过竖向隔离工程屏障I的方式；第十四步:打开双向阀25， 并关闭双向阀14和双向阀16，对模型箱进行排水，开启密封顶盖8，依次取出橡胶密封垫层9和多孔垫板10。对测试后的竖向隔离工程屏障I进行取样，做进一步的物理力学及化学性质分析。
权利要求
1.一种对污染物竖向隔离屏障进行模拟的装置，其特征在于，该装置包括箱体、位于所述箱体顶部上方的密封顶盖(8)、位于箱体底部的素混凝土垫层(4)、位于箱体内部的竖向隔离屏障填充区(I)、受污染土体填充区(2)和未受污染土体填充区(3)，所述竖向隔离屏障填充区(I)和未受污染土体填充区(3)之间设置有第一竖向挡板(5)，所述竖向隔离屏障填充区(I)和受污染土体填充区(2)之间设置有第二竖向挡板(6)，所述受污染土体填充区(2)的底部设置有将其与未受污染土体填充区(3)分割开的水平向挡板(7)，未受污染土体填充区(3)的下部设置有穿过箱体的排水管(32)，所述密封顶盖(8)与箱体顶部之间设置有橡胶密封垫层(9)和多孔垫板(10)，密封顶盖(8)下侧设置的凸台(81)依次穿过橡胶密封垫层(9)和多孔垫板(10)后与竖向隔离屏障填充区(I)连接； 所述箱体的一个立面上设置有多个与箱体内部连通的安装孔(17)，所述箱体内部设置有多个从安装孔(17)插入的在线工业电导率电极(19)，所述多孔垫板(10)中设置有相互连通的竖向孔道，受污染土体填充区(2)—侧的箱体侧立面上设置有与所述竖向孔道连通的第一注水管道(21)，未受污染土体填充区(3)—侧的侧箱体立面上设置有与所述竖向孔道连通的第二注水管道(31)。
2.根据权利要求1所述的对污染物竖向隔离屏障进行模拟的装置，其特征在于，所述受污染土体(2) —侧的箱体立面上设置有用于抽放水平向挡板(7)的水平槽口(22)，箱体立面外侧设置有用于密封所述水平槽口(22)的侧向橡胶垫层(23)和侧向盖板(24)。
3.根据权利要求1所述的对污染物竖向隔离屏障进行模拟的装置，其特征在于，所述的在线工业电导率电极(19)通过安装孔(17)嵌入箱体内，在线工业电导率电极(19)与安装孔(17)之间通过O型密封垫圈(18)密封。
4.根据权利要求1所述的对污染物竖向隔离屏障进行模拟的装置，其特征在于，所述的多孔垫板(10)采用聚氯乙烯材料，分为两块，分别设置于填充区受污染土体(2)和填充区未受污染土体(3)上方。`
5.一种利用权利要求1所述的装置对污染物迁移竖向隔离屏障进行的模拟的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 第一步:在线工业电导率电极(19)与数据采集仪(20)标定和调试，并将在线工业电导率电极(19)嵌入各模型箱侧向安装孔(17)，通过O型密封垫圈(18)进行固定和密封； 第二步:关闭双向阀(14)、双向阀(16)和双向阀(25)，向模型箱底部放入素混凝土垫层(4)，向第一水箱(11)注入去离子水，向第二水箱(15)注入模拟污染溶液； 第三步:将未受污染土体(3 )填筑至竖向隔离工程屏障(I)在模型箱内的设计深度处，采用蒸馏水饱和； 第四步:根据竖向隔离工程屏障(I)模拟宽度设计，在模型箱内竖向隔离工程屏障(I)设计部位的两侧分别设置第一竖向挡板(5)和第二竖向挡板(6)，将竖向隔离工程屏障(I)材料填筑入第一竖向挡板(5)和第二竖向挡板(6)之间； 第五步:在设计填筑未受污染土体(3) —侧，将未受污染土体(3)填筑至模型箱顶部； 第六步:在设计填筑受污染土体(2)—侧，将未受污染土体(3)填筑至受污染土体(2)的设计深度，采用蒸馏水饱和未受污染土体3，此时在其上部设置水平向挡板(7)； 第七步:在设计填筑受污染土体(2)—侧，即所设置水平向挡板(7)的上部填筑受污染土体(2)至模型箱顶部，采用模拟污染溶液进行饱和；第八步:将所述第四步中设置的第一竖向挡板(5)和第二竖向挡板(6)抽出； 第九步:在受污染土体(2)和未受污染土体(3)顶部放置多孔垫板(10)，并垫上橡胶密封垫层(9)，模型箱顶部通过密封顶盖(8)封闭； 第十步:打开双向阀(14)和双向阀(16)，通过调节气压控制阀(12)设置第一水箱(11)内的水压； 第十一步:抽出水平向挡板(7)，并通过侧向橡胶垫层(23)和侧向盖板(24)对模型箱水平槽口(22)进行密封； 第十二步:观察模型箱上部与密封顶盖(8)、各在线工业电导率电极(19)与模型箱侧向安装孔(17)以及模型箱水平槽口(22)是否出现渗水现象，若出现渗水现象，则按照所述第二步、第九步和第十一步中的方式继续密封工作，若无渗水现象则进行第十三步； 第十三步:通过在线工业电导率电极(19)对模型箱内各处土体的电导率值变化的实时监测，描绘污染物的迁移轨迹，以评价污染物迁移造成其击穿或绕流通过竖向隔离工程屏障(I)的方式； 第十四步:打开双向阀(25)，并关闭双向阀(14)和双向阀(16)，对模型箱进行排水，开启密封顶盖(8)，依次取出橡胶 密封垫层(9)和多孔垫板(10)，对测试后的竖向隔离工程屏障(I)进行取样。
全文摘要
本发明公开了一种用于阻滞污染物迁移的竖向隔离工程屏障的模型装置，包括箱体、位于箱体顶部上方的密封顶盖、位于箱体底部的素混凝土垫层、位于箱体内部的竖向隔离屏障填充区、受污染土体填充区和未受污染土体填充区，竖向隔离屏障填充区和未受污染土体填充区之间设置有第一竖向挡板，竖向隔离屏障填充区和受污染土体填充区之间设置有第二竖向挡板，受污染土体填充区的底部设置有将其与未受污染土体填充区分割开的水平向挡板，未受污染土体填充区的下部设置有穿过箱体的排水管，密封顶盖与箱体顶部之间设置有橡胶密封垫层和多孔垫板。本发明可测定竖向隔离工程屏障的实际阻滞性能，确定不同场地条件下竖向隔离工程屏障的合理深度及宽度设计值。
文档编号G01N27/04GK103207212SQ201310082070
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者杜延军, 范日东, 陈左波 申请人:东南大学