詹良通，曾 興，李育超，鐘孝樂，陳云敏

(浙江大學軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，杭州 310058)

1 研究背景

壓實黏土是我國填埋場中應用較多的一種防滲材料，廣泛應用于填埋場襯墊以及封場覆蓋。我國2007年頒布的《生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ113－2007)［1］中推薦的4種襯墊形式中，壓實黏土不僅作為一種重要的防滲材料與土工膜、GCL組合形成復合襯墊，而且本身就是一種單獨的襯墊形式。我國《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》(CJJ 17－2004)［2］中規(guī)定“天然黏土襯里或改性黏土襯里的滲透系數(shù)不應大于1.0×10－9m/s，且場底及四壁襯里厚度不應小于2m”。

襯墊作為填埋場的水平防滲防污結(jié)構(gòu)，其性能的好壞直接關(guān)系到地下水污染控制效果。從目前的文獻報道中發(fā)現(xiàn)我國部分填埋場底部的地下水及周邊土壤污染超標。據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站2001年對各類345座垃圾處理場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，345座垃圾填埋場中85%存在滲漏。北京阿蘇衛(wèi)填埋場一期工程底部設(shè)有黏土防滲層，1994年開始運行，2002年北京市市政管委會調(diào)查:阿蘇衛(wèi)填埋場地下水污染深度超過30 m?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國填埋場，特別是南方濕潤氣候區(qū)的填埋場的滲濾液水位普遍高達10多m，遠高于規(guī)范規(guī)定的30cm;另外在現(xiàn)場施工中容易存在黏土襯墊的土料不符合要求、壓實不夠、施工不良等問題，襯墊滲透系數(shù)達不到規(guī)范要求的1.0×10－9m/s。

污染物在黏土襯墊中運移速度慢，設(shè)計擊穿時間達數(shù)十年。普通的室內(nèi)土柱試驗，無法進行如此長歷時的模擬。國外填埋場有關(guān)污染物運移的調(diào)查數(shù)據(jù)最長為20a［3］，國內(nèi)調(diào)查數(shù)據(jù)最長為13a［4］，均小于襯墊的設(shè)計擊穿時間。離心機具有縮時縮尺效應［5］，加速度為ng條件下，原型尺寸Lp對應模型尺寸Lm=Lp/n，原型時間tp對應模型時間tm=tp/n2，如100g重力加速度下，1d試驗時間相當于原型27.4a。所以離心機模擬黏土襯墊中污染物運移具有很大優(yōu)勢。

Arulanandan等［6］研究了模擬污染物運移的相似問題，推導了污染物運移的8個相似比，說明了污染物離心模擬的條件，并用試驗證明了污染物離心模擬的可行性。Hensley等［7］用離心機分別模擬了常濃度污染源和衰減濃度污染源兩種情況下NaCl在粉土中的長期遷移特性，證明了離心模擬技術(shù)能為數(shù)學模型的驗證提供有效的試驗數(shù)據(jù)。Mckinley等［8］進行了無吸附性的污染物在飽和高嶺土層中運移的離心模擬試驗，污染源為濃度衰減的，試驗后的濃度剖面與理論結(jié)果吻合較好。應用離心機模擬污染物運移，前人已經(jīng)做了很多工作，但是以黏土襯墊為對象研究其防污性能的離心試驗研究并不多。

本文針對目前填埋場中襯墊可能遭遇的現(xiàn)實工況，以黏土襯墊為對象，采用高嶺土作為模型土樣，應用離心機模擬氯離子在模型中的一維遷移，研究常濃度源下，高濾液水頭條件和滲透系數(shù)對黏土襯墊的防污性能影響。

2 方案設(shè)計及實施方法

2.1 試驗方案設(shè)計

本試驗研究氯離子在2m厚黏土襯墊中的運移特性，探討滲透系數(shù)和水頭對污染物運移的影響。模擬污染物采用氯化鈉，氯離子吸附性很小，一般可忽略其吸附性［6，8］。將純凈的NaCl顆粒和去離子水混合配置成0.1 mol/L的氯化鈉水溶液模擬污染物溶液。

離心模型如圖1所示，在制備好的襯墊模型上部加一定高度的NaCl溶液模擬襯墊上部水頭。上機試驗，經(jīng)過一定的離心試驗時間后，停機測試模型高度變化、頂部水頭變化及底部收集水量，取樣分析，檢測氯離子在模型中的分布情況。

圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model

試驗所用襯墊模型的實際厚度為4.2cm，孔隙比e=2.617，水頭高度為20cm，離心加速度為50g，離心時間為3h52min。

2.2 襯墊模型材料及制備

用于制作襯墊模型的土樣為購買的商用高嶺土粉末，為白色細顆粒粉末。基本土性試驗結(jié)果表明本土樣為高液限黏土，具體物理性質(zhì)見表1。

表1 土樣的物理性質(zhì)指標Table 1 Physical parameters of soil sample

采用自制模型加壓固結(jié)裝置制備模型，得到壓縮指數(shù)Cc=1.276(對應壓力范圍50～90 kPa)，回彈指數(shù)Ce=0.045。對不同固結(jié)壓力下的土樣取樣做變水頭滲透試驗，得到白色高嶺土和在不同孔隙比e對應的滲透系數(shù)。根據(jù)孔隙比e與滲透系數(shù)之間存在的經(jīng)驗關(guān)系擬合得:e=0.735ln(k)+13。該高嶺土的固結(jié)系數(shù)為0.235mm2/s［9］。

考慮到黏性土的滲透性差，采用壓實方法制作模型難以達到很高的飽和度。如在離心機內(nèi)直接固結(jié)土樣，則模型土樣會出現(xiàn)從上到下逐漸密實的不均勻性。為了保證襯墊模型充分飽和且模型土樣的均勻性，筆者先制備初始含水率很高的飽和泥漿，然后利用加壓固結(jié)裝置從泥漿狀態(tài)開始逐級加壓固結(jié)至目標模型。

先取定量的高嶺土粉末與相應量的去離子水加入真空攪拌機內(nèi)攪拌混合。在攪拌過程中同時抽真空，真空度為0.1MPa。將泥漿真空攪拌數(shù)小時，形成呈流態(tài)狀的飽和泥漿后，再裝入土樣筒內(nèi)，至設(shè)計高度。

襯墊模型的初始狀態(tài)是高含水量的流態(tài)狀泥漿，飽和度達99.9%。泥漿強度極低，無法直接加壓，先令其在自然狀態(tài)下排水，待有一定強度后再從低到高逐級加壓固結(jié)。固結(jié)完成后襯墊模型的飽和度達100%，采用這種方式制備的襯墊模型為充分飽和。模型制備時施加的最大固結(jié)壓力為50 kPa。

2.3 試驗設(shè)備

試驗中用于裝模型土樣的模型筒如圖2所示。材料為有機玻璃，筒身為有機玻璃管，壁厚1cm，內(nèi)徑為9.8cm。模型筒底蓋周圍一圈內(nèi)外安裝有2個有一定高度的環(huán)，內(nèi)側(cè)為溢流環(huán)，外側(cè)為積液環(huán)。溢流環(huán)頂部與置于模型筒底部的透水石頂面相平，通過小孔與筒底部相連通。模型筒高度為30cm。底部加濾紙、透水石后，凈內(nèi)高約為28cm。

圖2 模型筒Fig.2 Modeling box

模型制備過程中使用自制反力架對模型進行加壓固結(jié)。反力架上裝有壓力表盤，可以控制其施加的壓力，在加壓桿上裝有百分表，量程為5cm，最小讀數(shù)0.01mm，用來監(jiān)測土樣的固結(jié)沉降。

試驗中使用的離心機為浙江大學ZJU-400g多用途離心機，最大能力400g-t，最大加速度為150g。開機至50 g和從50 g關(guān)機至停止，均耗時8 min。

圖3 ZJU-400 g多功能離心機Fig.3 ZJU-400g multi-function centrifuge

2.4 離心模型試驗方法

離心試驗前，給模型筒中土樣上部加上設(shè)計高度的NaCl溶液。用薄膜包裹模型筒上部，減少上部水頭的蒸發(fā)量;用針在薄膜上鉆一個小孔，防止形成真空。給下部溢流環(huán)加滿去離子水，保持下部常水頭。然后開機進行離心模型試驗。離心機啟動，離心加速度經(jīng)過8 min時間從0 g增加到50 g，保持50 g穩(wěn)定離心224 min，停機，經(jīng)過8 min離心加速度從50 g變?yōu)? g。試驗中將停、開機的各8 min等效為8 min的穩(wěn)定時間，故有效的離心時間為3 h 52 min。收集積液環(huán)中下部的滲透水量。測量上部水頭高度、模型高度，稱量模型質(zhì)量、下部滲透水量。

將離心后的試驗土樣取出，沿厚度方向切成11片，記錄各片土樣質(zhì)量，再烘干，稱量土樣質(zhì)量，計算土樣含水率。將烘干的土樣研磨成粉末，稱取1 g粉末加50 mL去離子水混合，振蕩24min，離心后取1mL上清液，用去離子水稀釋至100mL。再采用離子色譜儀分析稀釋溶液中的氯離子濃度，從而反算出切片土樣內(nèi)的氯離子濃度，獲得模型中的氯離子濃度剖面。

3 離心試驗結(jié)果及分析

3.1 離心試驗過程中模型固結(jié)沉降及滲漏量

由于離心模型在高滲透壓力作用下發(fā)生固結(jié)，固結(jié)排水量對模型中污染物運移過程及滲漏量有影響，所以必須首先分析離心試驗過程中模型固結(jié)沉降。

離心試驗前模型高度4.2cm，孔隙比e為2.617，初始含水量99.53%，水頭高度20cm。經(jīng)過3.87 h的離心時間，測量結(jié)果表明上部溶液水頭下降1.28cm，折合成入流水量為96.6 mL，而下部溶液收集裝置積液環(huán)收集到的水量為55.1 mL。切片分析時，測量得模型土樣的質(zhì)量、高度和含水率，如表2所示。

表2 模型土樣切片測試得到模型參數(shù)Table 2 Parameters of the sliced soil sample

切片時測試模型土樣的含水量分布，如圖4所示，從頂部到底部含水量逐漸變小，頂部含水量為97.5%，底部含水量為85.3%，平均含水量為93.37%。這反映了離心過程中隨深度增加，土樣有效應力增大，導致了含水率隨深度增加而降低。

圖4 含水量隨深度分布圖Fig.4 Moisture profile of the model

由于土樣在試驗前后含水率變化，根據(jù)圖5可得離心試驗中由于固結(jié)排出的水量Δmw=14.19 g，推算出模型應沉降0.188cm，即模型排水后高度應為4.012cm，與實測值接近。

圖5 各階段模型內(nèi)部應力分布Fig.5 Stress distribution in the model in different stages

模型從泥漿狀態(tài)加壓固結(jié)到上機離心再到離心結(jié)束這個過程中，應力狀態(tài)變化經(jīng)歷4個階段，如圖5所示，圖中虛線代表先期固結(jié)壓力，實線代表各階段實際應力。模型制備階段，模型內(nèi)部受均布應力，大小為固結(jié)壓力50 kPa。固結(jié)完成后卸載，此時模型所受的應力僅為1 g狀態(tài)下的自重有效應力0.2 kPa，模型發(fā)生回彈。上機試驗時，離心加速，滲透力和土自重均被放大為原來的50倍，模型應力為三角形分布，底部最大應力為131.08 kPa，模型將發(fā)生固結(jié)。離心結(jié)束后，所受應力又變?yōu)? g狀態(tài)下的自重有效應力0.2 kPa，土樣將發(fā)生回彈。

離心試驗階段，模型固結(jié)沉降分成2部分考慮，模型上部1.6cm部分應力小于模型土樣的先期最大固結(jié)壓力50 kPa，故該部分土樣發(fā)生再壓縮，這部分壓縮量計算采用回彈指數(shù)，計算壓縮量為0.056cm;1.6cm以下的模型土樣應力大于50 kPa，這部分的土樣由超固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎９探Y(jié)狀態(tài)，其壓縮量分兩段計算:第1段采用回彈指數(shù)，計算壓縮量為0.082cm，第2階段采用壓縮指數(shù)，計算壓縮量為0.236cm。離心固結(jié)階段，共計算沉降了0.374cm，離心固結(jié)后土樣高為3.826cm。離心結(jié)束后模型回彈，回彈量計算采用回彈指數(shù)，計算回彈量為0.146cm，離心結(jié)束后的模型高度為3.972cm。計算得到的離心前后總沉降為0.228cm。

表3 不同方法獲得的離心試驗前后沉降比較Table 3 Comparison of model settlements before and after the test obtained by different methods

以上分析說明離心過程模型發(fā)生了固結(jié)，實測沉降與根據(jù)含水量剖面計算較為接近，固結(jié)沉降計算的存在一定誤差，可能與參數(shù)選取有關(guān)。

開機階段離心機經(jīng)歷加速過程，在停機階段處于減速過程，在分析土中應力時，忽略開機階段的離心加速度變化。圖6為離心固結(jié)完成時的土中應力分布。離心固結(jié)初始階段，孔隙水壓力與總應力相等，土中有效應力為0.2 kPa，超孔壓為正三角形分布，大小為固結(jié)完成時的有效應力減去當前有效應力，底部最大值為130.88 kPa。

圖6 離心狀態(tài)下孔壓和有效應力分布Fig.6 Pore pressure and effective stress distribution of soil sample in centrifugal state

根據(jù)雙面排水、初始孔壓為正三角形分布的一維固結(jié)解析解，可以得到離心固結(jié)階段不同時間的超孔壓消散。圖7給出了各時刻的超孔壓剖面分布，P0為初始超孔壓，即130.88 kPa，時間單位為min。

如圖7所示，固結(jié)初期最大超孔壓出現(xiàn)在模型下部，隨著時間增加孔壓逐漸消散。平均固結(jié)度達到90%的時間 t90=27.4 min。

圖7 不同時間沿深度的超孔壓分布Fig.7 Pore pressure profiles at different times

為了得到模型在離心過程中的通過上下邊界滲流的水量，將固結(jié)產(chǎn)生的超孔壓和上部水頭產(chǎn)生靜水孔壓疊加，得到沿深度的水頭分布，進一步得到不同時間沿深度水力坡降，如圖8所示。

圖8 不同時間沿模型深度的水力坡降分布Fig.8 Hydraulic gradient profiles at different times

圖8中水力坡降i＜0的點，發(fā)生向上滲流;水力坡降i＞0的點，發(fā)生向下滲流。如圖8所示，t＜6.8 min時，模型上部水力坡降 i＜0，表明存在向上的滲流，隨著時間增加，發(fā)生向上滲流的區(qū)域越來越小。t≥6.8 min時，沿深度各點的水力坡降均≥0，模型中滲流一致向下。

在模型固結(jié)過程中，頂部邊界的水力坡降從負的(向上)變?yōu)?，再增大至穩(wěn)定水力坡降，這個過程中流速是變化的，甚至還存在向上滲流的情況。為了考慮不穩(wěn)定的滲流對污染物運移的影響，這里引入“等效時間”的概念，即將不穩(wěn)定的滲流時間根據(jù)流量相等的原則等效為穩(wěn)定滲流的時間。如圖9所示，t=21 min左邊入流量曲線與時間軸之間的面積，等于右邊入流量曲線與穩(wěn)定入流量線之間的面積。所以等效的運移時間為232－21=211 min，即3.517 h。

圖9 上邊界入滲率隨時間的變化Fig.9 Rate of inflow through the upper boundary vs.time

應用達西定理，根據(jù)滲透系數(shù)和邊界處不同時刻的水力梯度，即可求出各時刻的模型底面的滲漏率。計算采用根據(jù)上部入滲水量擬合得到的滲透系數(shù)3.2×10－9m/s。圖10中給出了離心試驗過程中模型底部的由固結(jié)引起的滲漏率、總的滲漏率隨時間的變化。固結(jié)引起的滲漏量在初始階段很大，隨著時間增加逐漸變小，這反映了孔壓消散過程?？倽B漏量中另一部分為模型上下水頭差引起的滲流量，當固結(jié)結(jié)束后，滲漏量為穩(wěn)定值，大小為30.2 m/a，轉(zhuǎn)化為原型滲漏量為0.604 m/a。謝海建［10］計算的滲透系數(shù)為1.0×10－9m/s的2 m壓實黏土襯墊在10 m上覆水頭下，滲漏率為0.189 m/a，考慮到本文襯墊滲透系數(shù)為3.2×10－9m/s，兩者結(jié)果吻合。

圖10 底部滲漏率隨時間的變化Fig.10 Rate of outflow through the bottom vs.time

3.2 孔隙水中氯離子濃度分布實測結(jié)果及理論反分析

離心后切片分析模型孔隙水中氯離子濃度隨深度的分布，實測結(jié)果如圖11所示，離散點為實測的濃度值。

圖11 氯離子的擬合濃度曲線Fig.11 Fitted chloridion concentration curve

對于污染物在飽和多孔介質(zhì)的一維豎向運移問題，用對流-彌散方程描述擬合

邊界條件:

方程的解［11］為

頂部邊界條件(3)，表示上部為指定常濃度，下邊邊界條件(4)表示為半無限空間體，可近似用于有限厚度土層的分析［12－15］。根據(jù)上面的解，可得襯墊模型的擬合濃度曲線(圖11)，連續(xù)曲線為理論擬合值。

由于上覆水頭的變化很小，擬合中取平均水頭按常水頭考慮。由于試驗中采用低吸附性的NaCl作為目標污染物，且試驗歷時較短，理論分析中不考慮阻滯作用［8］，取Rd=1.0;Dh為水動力彌散系數(shù)，為有效分子擴散系數(shù)，根據(jù)經(jīng)為彌散度，為擬合參數(shù)，vs為滲透速度，根據(jù)模型滲透系數(shù)和水力梯度計算得到，滲透系數(shù)取根據(jù)上邊界水量分析為3.2×10－9m/s。離心加速度50 g，離心試驗時間按等效后的3.517 h考慮，對應的原型時間366 d。具體計算參數(shù)如表4所示。

表4 襯墊模型的擬合運移參數(shù)Table 4 Fitted movement parameters for liner model

4 高嶺土襯墊擊穿時間預測

根據(jù)上面試驗擬合得到的運移參數(shù)Dd和α，對上部水頭10 m，滲透系數(shù)為3.2×10－9m/s的2 m厚黏土襯墊對擊穿時間進行預測，結(jié)果如圖12所示。1.53 a時，襯墊底部出流濃度達1%初始濃度;1.97 a底部出流為初始濃度的10%。如取擊穿濃度為初始濃度的10%時，僅需1.97 a襯墊即被擊穿。若襯墊滲透系數(shù)降低為規(guī)范規(guī)定的1.0×10－9m/s，上覆 10 m 水頭時，擊穿需要2 052.6 d，即5.62 a。所以在高滲濾液水頭作用下填埋場底部滲濾液極易擊穿襯墊，污染地下水。

圖12 氯離子的擊穿時間模擬Fig.12 Predicted times of chloridion breaking through the liner model

本試驗是以氯離子為目標污染物，由于Cl－吸附性很小，對于重金屬等強吸附性離子，實際擊穿時間應更長［18－19］。根據(jù)污染物在黏土中常見的阻滯因子Rd的取值，下面模擬了10 m水頭下，3種吸附性不同的污染物在不同滲透系數(shù)的襯墊中運移的擊穿時間。

對于高吸附性的污染物，擊穿時間隨著吸附性增加而變長。因此對于重金屬等在黏土中有很強的吸附性的污染物，在預測襯墊擊穿時間時應考慮襯墊材料對相應污染物的吸附性。

圖13 不同吸附性離子擊穿襯墊的時間比較Fig.13 Comparison of Chloridion breakthrough timewith different retardation factors

5 結(jié)論

用離心機模擬高水頭條件下污染物的運移時，離心加速導致模型產(chǎn)生高的滲透壓力，如果產(chǎn)生的滲透壓力大于模型的先期固結(jié)壓力時，模型會在離心機內(nèi)發(fā)生固結(jié)。固結(jié)時模型中滲流方向及速度隨深度和時間變化，導致理論模擬分析困難。由于黏土中超孔壓消散慢，固結(jié)時間長，對污染物運移影響大，因此在進行類似試驗時，應該設(shè)法消除模型固結(jié)排水對污染物運移的影響。

本文通過等效時間的方法，對離心試驗結(jié)果進行擬合，根據(jù)擬合的參數(shù)對原型的擊穿時間進行預測，預測結(jié)果表明在10 m水頭作用下滲透系數(shù)3.2×10－9m/s的2 m厚黏土襯墊被氯離子擊穿時間為1.97a，滲漏量為0.604 m/a，當滲透系數(shù)降低為規(guī)范規(guī)定的1.0×10－9m/s時，擊穿時間為5.62 a。預測結(jié)果也表明污染物的阻滯因子Rd越大，擊穿時間越長。采用離心機模擬污染物在低滲透性模型中的運移時，由于污染物運移速度顯著增加，試驗歷時縮短，吸附作用沒能充分發(fā)揮，可能導致預測的擊穿時間偏大。

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