基于LBM-DEM耦合数值方法的堤坝衰减层与土壤界面堵塞机理研究

《Soil Security》：Interface clogging between soil and attenuation layer of embankment based on LBM-DEM coupled numerical method

为解决堤坝工程中挖掘土再利用导致的污染物迁移问题，研究人员开展土壤与衰减层界面堵塞机制研究。采用LBM-DEM耦合数值方法，从微观角度模拟过滤过程中颗粒形成拱结构导致堵塞的现象，发现流体速度降低约2.7-9.3倍，并阐明颗粒骨架形成与稳定机制。该研究为改善污染物处理效率提供了理论依据。

　　

随着土地开垦面积的不断增加，大量挖掘土的产生已超过垃圾填埋场的处理能力。这些挖掘土通常含有天然重金属污染物，如砷(As)、镉(Cd)和硼(B)，虽然其环境影响低于人工污染物，但对自然环境的影响仍不可忽视。根据日本法律体系，此类挖掘土不能被归类为废物，因此常被用于工程建设，特别是堤坝工程。堤坝作为多孔结构，若未经处理，渗透其内部结构的表层水会将重金属污染物引入地下，对当地生态环境造成严重影响。

为解决这一问题，研究人员提出了多种改善土壤的方法，但大多成本高昂或会产生二次污染。通过在堤坝底部铺设衰减层来过滤土壤中的有害成分成为一种有效方法。衰减层的过滤效果随上层土壤压力的增加而增强，因为高压使层结构更加密实。然而，在向下渗透过程中，一些土壤颗粒在液体驱动下形成浆液，一旦浆液颗粒堵塞了衰减层内部的微孔结构，其对污染物的吸附性能将大大降低。

减少衰减层内部的堵塞有利于提高吸附效率。先前研究表明，通过调整衰减层的颗粒组成可以有效改善污染物的扩散，因为颗粒尺寸的变化改变了衰减层的孔隙结构，从而改变了污染物的吸附效率。保持衰减层与污染土壤之间的良好接触也对污染物吸附具有重要意义，因为接触状态影响细颗粒土壤颗粒向衰减层的流入。此外，污染物的迁移还受污染土壤颗粒组成的影响，较细的颗粒在水渗透过程中更容易通过较粗的颗粒迁移。

污染物在多孔结构中受土壤堵塞影响的扩散机制十分复杂，因此需要阐明堵塞结构与污染物迁移效率之间的关系。虽然先前的堵塞研究能够基于宏观实验数据的变化描述宏观堵塞过程，但从微观角度清晰解释过滤过程中堵塞形成机制仍然困难。数值模拟方法的引入可以很好地弥补实验方法的这些不足。

在《Soil Security》发表的这项研究中，研究人员采用LBM-DEM耦合方法来模拟衰减层与污染土壤接触表面的堵塞过程。基于微观颗粒运动，详细给出了不同土壤颗粒分布下土壤颗粒的迁移特征，重点研究了衰减层孔隙上方的颗粒堵塞结构，讨论了流体速度的分布特征和随过滤时间函数的迁移规律，并分析了影响堵塞形成的因素。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：离散元法(DEM)用于模拟颗粒材料的运动，采用线性接触模型计算颗粒间的接触力；格子玻尔兹曼方法(LBM)用于流体模拟，采用D3Q15模型；通过体积分数法计算LBM单元与土壤颗粒之间的相互作用。样本来源基于Kato等(2023a)和Katayama等(2020)报道的实际土壤数据，建立了两种数值污染土壤样品(SA和SB)。

4.1. 流体特性

研究表明，在过滤过程中，排水速度是判断排水堵塞的重要标准。通过分析流体速度分布，发现颗粒可以在衰减层孔隙上方形成拱结构并导致堵塞。这种堵塞拱结构的形成阻止了土壤颗粒的排出，并大大降低了流体速度，本研究使用的两种土壤（土壤A和土壤B）分别降低了约2.7倍和9.3倍。值得注意的是，流体速度而不是不透水性保持基本值。衰减层孔隙周围的速度分布具有一定的形状，取决于LBM单元的速度。这种分布的大小随着与衰减层孔隙距离的变化而有规律地变化。

4.2. 颗粒运动特性

通过分析土壤颗粒速度的变化，发现颗粒速度随着与过滤孔隙距离的增加而增加。在加速阶段(0-0.01s)，土壤颗粒骨架尚未形成，颗粒间没有完整的约束结构。随着颗粒逐渐沉积在过滤层表面(0.01-0.10s)，土壤样品的速度迅速降低，大多数颗粒停止运动，土壤初始骨架逐渐形成。过滤孔隙周围的颗粒继续随流体流出，这种现象通常出现在颗粒拱坍塌和生成期间。

4.3. 颗粒堵塞形成分析

研究发现，一些下落的颗粒在过滤孔隙上方积累并形成圆顶拱结构，这种由多尺寸颗粒组成的圆顶拱结构通常称为颗粒堵塞拱。这种颗粒堵塞拱的形成被认为是过滤孔隙被颗粒堵塞的重要标志。拱结构不仅产生强大的力链防止后期颗粒移动，还缩小了颗粒堵塞拱的形成范围。从拱的组成和位置来看，骨架主要由一些大颗粒组成，并集中在过滤孔隙上方。许多细颗粒提供了足够的缓冲和摩擦来分散加载压力。

研究表明，颗粒的组成对于颗粒堵塞的形成至关重要。增加大颗粒含量可有效减少土壤颗粒的损失，大颗粒可以形成更稳定的土壤骨架，而细颗粒填充大颗粒之间的间隙，进一步缩小排水通道的面积。在适当的颗粒分布下，过滤孔隙上方的堵塞具有高稳定性和高孔隙率，使污染物的排水保持稳定。

结论与讨论

本研究通过数值模拟分析了堤坝内基于过滤过程的堵塞现象，发现衰减层能有效防止携带污染物的细颗粒向下流动，还可降低渗透速度，这对在衰减层中提供足够的反应时间具有积极影响。研究结果表明，颗粒堵塞现象对衰减层在堤坝工程中的应用和性能具有积极影响。

土壤颗粒的粒度分布曲线与过滤层堵塞密切相关。级配组成不仅影响堵塞拱的力学结构，还改变了过滤孔隙附近的流速。过滤层过滤的影响范围主要集中在过滤孔隙附近。根据模拟土壤A和B的结果，可以得出结论：两种样品都形成了相对稳定的拱，防止了上覆土壤中携带污染物的细颗粒向下渗透的可能性。

大颗粒比例的增加将促进颗粒拱的稳定性。因此，在衰减层上形成堵塞拱具有反向过滤效果，可防止细颗粒迁移并减少衰减层内部的堵塞。在衰减层应用的工程实践中，无需过度关注污染细颗粒渗透地层的问题。

此外，土壤颗粒的尺寸组成也影响衰减层的过滤堵塞。细颗粒含量对衰减层的吸附效率具有重要意义。过多细颗粒会降低过滤孔隙上堵塞拱的稳定性。适当增加大颗粒含量可有效减少细颗粒的损失。研究表明，将大颗粒与细颗粒结合可以增强堵塞结构，使速度更加稳定，并为衰减层处理污染物提供足够的反应时间，从而获得更好的吸附性能，这将有利于工程领域。

总之，衰减层的使用应在环境岩土工程中得到推广，基于更全面的实验研究。未来的研究应进一步探索不同土壤条件下衰减层的性能优化，为实际工程应用提供更加可靠的理论依据和技术支持。