Two-dimensional numerical analysis of the effect of monitoring devices on the performance of cement-bentonite barriers

The use of cement-bentonite based cut-off walls for waste containment to avoid groundwater pollution and for soil remediation applications has been extended in the last years. Numerical models have been developed by different authors to evaluate the behaviour of the clay cut-off liners in terms of minimization of pollutant transport, as well as durability characteristics. Following this idea, the need to study the behaviour of these barriers in the long term is now of great interest and the use of cast-in-situ devices to monitor the behaviour of the barrier with time are used. In this work, a two-dimensional numerical analysis is presented for the transport of contaminants through the cut-off wall as a barrier-device system carrying a parametric analysis varying the geometrical and hydraulic characteristics of the system, as well as solute transport parameters such as diffusion coefficient and retardation factor. The influence of the device in the performance of the barrier was quantitively estimated in terms of efficiencies evaluating three functions: Retardation, mitigation and monitoring for properties and parameters estimation. This was evaluated for different boundary conditions and different water flux and hydraulic gradient directions in order to represent different possible real site conditions. The advantages and drawbacks of applying different types of boundary conditions in the model imposed at the inlet boundary and the device are also discussed. Finally, a chart illustrating the estimation of the diffusion coefficient and Retardation factor using device flux information based on the results obtained from the analysis is presented.

Negli ultimi anni è stato esteso l'uso di paretie a base di cemento-bentonite per il contenimento dei rifiuti per evitare l'inquinamento delle acque sotterranee e per le applicazioni di bonifica del suolo. Sono stati sviluppati modelli numerici da diversi autori per valutare il comportamento dei diaframmi in argilla in termini di minimizzazione del trasporto di inquinanti e caratteristiche di durabilità. Seguendo questa idea, la necessità di studiare il comportamento di queste barriere a lungo termine è ora di grande interesse e l'uso di dispositivi in-situ per monitorare il comportamento della barriera nel tempo viene ora utilizzato. In questa tesi, viene presentata un'analisi numerica bidimensionale per il trasporto di contaminanti attraverso la parete di taglio come un sistema di barriera-dispositivo basato su un'analisi parametrica variando le caratteristiche geometriche e idrauliche del sistema, nonché parametri di trasporto di soluti come coefficiente di diffusione e fattore di ritardo. L'influenza del dispositivo nelle prestazioni della barriera è stata stimata quantitativamente in termini di efficienza nella valutazione di tre funzioni: ritardo, mitigazione e monitoraggio della stima di proprietà e parametri. Questo è stato valutato per diverse condizioni al contorno e diversi flussi d'acqua e direzioni idrauliche del gradiente al fine di rappresentare diverse possibili condizioni reali del sito. Vengono inoltre discussi i vantaggi e gli svantaggi dell'applicazione di diversi tipi di condizioni al contorno nel modello imposto al confine di ingresso e al dispositivo. Infine, viene presentato un abaco che illustra la stima del coefficiente di diffusione e del fattore di ritardo utilizzando le informazioni sul flusso del dispositivo basate sui risultati ottenuti dall'analisi.