[0001] 本发明涉及环境岩土工程技术领域，具体涉及一种竖向防污隔离墙长期服役性能超重力模拟装置及方法。

[0002] 我国土壤与地下水污染问题严重，污染场地修复工作越来越受到重视。竖向防污隔离墙可以将污染区域进行隔离，避免污染物向外扩散，在污染场地治理中有着广泛的应用。竖向防污隔离墙的服役寿命长达50年甚至上百年，竖向防污隔离墙长期服役性能是竖向防污隔离墙设计和运营过程中的关键问题。竖向防污隔离墙长期服役性能虽然可以通过理论或数值方法进行分析，但是理论或数值方法分析结果的可靠性需要物理模拟和现场监测数据来验证。然而，常重力条件下的物理模拟和现场监测均难以模拟数十年甚至上百年的迁移过程。在超重力环境下物理模拟具有缩时、缩尺效应，它利用土工离心机的高速旋转产生N倍的重力加速度(g)，使得模型尺寸可缩小N倍，污染物迁移速度提高N倍，迁移时间缩2
短N 倍。例如，在100g重力加速度的土工离心机中开展模型试验，50年的迁移过程仅需
43.8h即可完成；30cm高的模型墙可以还原实际工程中30m深的竖向防污隔离墙的应力状态。因此，超重力模拟是竖向防污隔离墙长期服役性能验证不可或缺的工具。

[0003] 竖向防污隔离墙长期服役性能超重力模拟的一个关键问题是实现污染物在竖向隔离墙中的长历时迁移。其中，竖向隔离墙上、下游水头差是污染迁移的主要驱动力，因此，上、下游水头差的控制又是关键问题中的关键。目前，对于竖向防污隔离墙的超重力模拟通常仅选取某一段墙进行模拟，导致模型墙与模型箱之间存在两种材料间不连续接触面(模型墙为土质材料、模型箱通常为有机玻璃材料或者钢材)。在不连续接触面的位置极易产生渗流优势通道，使得上游的溶液通过渗流优势通道进入下游，而不是通过竖向隔离墙进入下游，从而导致试验中实际发生的物理过程严重偏离试验目的，造成严重的试验误差。虽然可以采取一些措施减少不连续接触面位置渗流优势通道，如专利《CN 112964610 A一种模拟污染物在土‑膨润土竖向阻隔墙内运移的超重力模型试验装置及方法》：“为了土‑膨润土阻隔墙与模型箱侧壁的密闭性，在成墙区与模型箱壁连接位置，插入挡条，倒入干膨润土，形成2cm的膨润土条”，但是，不连续接触面位置毕竟是两种不同的材料，仍有产生渗流优势通道的风险。本发明采取在试验中设置一“圈”墙的方式，有效地避免了非连续接触面和渗流优势通道的产生。

[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

[0045] 实施例1

[0046] 如图1‑4所示，本发明提供了一种竖向防污隔离墙长期服役性能超重力模拟装置，其结构具体包括：

[0047] 模型箱1，所述模型箱1(材质为有机玻璃，内部尺寸为长40cm，宽30cm，高30cm，尺寸不含板厚)设有内圈环形透水石8(内径14cm，外径18cm)和外圈环形透水石9(内径24cm，外径28cm)；

[0048] 模型箱盖板2，模型箱盖板2上设有导槽3(高27cm)，盖板2与模型箱1之间设有橡胶垫7(厚1cm)，盖板与模型箱采用螺栓连接6(螺栓共10颗)；

[0049] 固定水头补水装置4，固定水头补水装置4采用马氏瓶(Mariotte flash)，通过连接管路13与模型箱1相连接，连接处设有反滤层17(反滤层为无纺土工布)；

[0050] 出流收集装置5，出流收集装置5通过连接管路13与模型箱1相连接；

[0051] 模型墙10，模型墙10设于内圈环形透水石8和外圈环形透水石9之间；

[0052] 上游地基土11，上游地基土11(本实施例中上游地基土11取自福建标准砂)设于内圈环形透水石8的内侧，上游地基土11上表面距离模型箱1上表面2cm；

[0053] 下游地基土12，下游地基土12(本实施例中下游地基土12取自福建标准砂)设于外圈环形透水石9的外侧，下游地基土11上表面距离模型箱1上表面2cm。

[0054] 模型箱盖板2上设有导槽3，模型箱盖板2与模型箱1之间通过螺栓孔14对准，试验时在导槽3内加入泥浆，泥浆在超重力环境下由泥浆固结形成模型墙1。

[0055] 出流收集装置5内设有液位传感器15和离子浓度传感器16，实时监测出流收集装置内水位高度和离子浓度。

[0056] 下游地基土11内水位高度由出水口18的在模型箱1表面以下5cm，即，距离模型箱1底面25cm。

[0057] 上游地基土11底部与固定水头补水装置4相连，上游地基土11与管路连接处设有反滤层；上游地基土11内水位高与固定水头补水装置4的出水口高度一致，固定水头补水装置4的出水口位于模型箱1表面以下3cm，即，位于模型箱1底面以上27cm，模型墙上、下游之间的水头差为2cm。

[0058] 上述模型箱1固定安装于土工离心机吊篮内。

[0059] 实施例2

[0060] 采用实施例1中的竖向防污隔离墙长期服役性能超重力模拟装置，开展竖向防污隔离墙长期服役性能超重力模拟试验，包括以下步骤：

[0061] S1、在导槽3内的加入泥浆，泥浆的初始含水量为70％，在超重力环境下(加速度为100倍重力加速度)对泥浆进行固结，固结时间约6小时，直至出流收集装置5中液位稳定为止；

[0062] S2、在固定水头补水装置4加入重金属污染物溶液(浓度为200mg/L的Pb2+溶液)，调整固定水头补水装置4的位置高度，在一些实施例中，固定水头补水装置4的出水口位于模型箱1表面以下3cm，使得上游地基土11与下游地基土12之间的水头差为试验设计值，在一些实施例中，水头差为2cm；

[0063] S3、在100倍重力加速度条件下，开展43.8小时超重力离心模型试验，模拟重金属污染物在竖向防污隔离墙中的50年的迁移过程，实时监测出流收集装置5内液位高度变化和离子浓度变化。如图5所示为出流装置中监测到的液位高度曲线，出流装置中监测到的液位高度随着模型箱中试验时间的增加而持续增加。如图6所示为出流装置中监测到的离子浓度曲线，其上升速度呈现先缓慢、后迅速、再平稳的过程。

[0064] S4、计算竖向防污隔离墙平均渗透系数，计算公式为：

[0065]

[0066] 其中，

[0067] 式中，ks为竖向防污隔离墙平均渗透系数；h为出流收集装置内液位高度，由监测2
结果得到；As为出流收集装置的底面积(直径8cm，面积50.24cm)；A为模型墙的过水面立面
2
面积(30cm*28cm＝840cm)；i为模型墙上、下游的水力梯度(0.67)；ΔH为模型墙上、下游的水头差(2cm)；H为模型墙的厚度(3cm)。

[0068] S5、计算模型墙外侧实际出流浓度，计算公式为：

[0069]

[0070] 式中：C0(t)为t时刻模型墙外侧实际出流浓度；Cm(t)为t时刻出流收集装置内离子3
浓度，由监测结果得到；V为下游地基土的总体积(16367.68cm)；n为下游地基土的孔隙率
2
(0.4)；ks为模型墙的渗透系数(1e‑6cm/s)；A为模型墙的过水面立面面积(840cm)；i为模型墙上、下游的水力梯度(0.67)。

[0071] S6、计算对应于模型试验的实际工程中竖向防污隔离墙失效时间，计算公式为：

[0072] T＝ta*N2＝14.6年

[0073] 式中：T为对应于模型试验的实际工程中竖向防污隔离墙失效时间；ta为模型墙外侧实际出流浓度达到规范规定的允许浓度时的时间，如图7所示为换算得到的模型墙外侧离子浓度曲线，当允许出流浓度达到50mg/L的标准时对应的击穿时间为12.8小时；N为超重力试验中的加速度与重力加速度之间的比值，在本实施例中为100。。

[0074] 上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。