何 俊，肖衡林，孔祥怡

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430068)

1 研究背景

黏土是垃圾填埋場(chǎng)底部和頂部常用的襯墊材料，能夠較為有效地防止垃圾填埋場(chǎng)對(duì)周圍環(huán)境的二次污染。目前國內(nèi)外常用的襯墊材料包括壓實(shí)黏土襯墊、膨潤土防水毯(GCL)、土工膜等，其中壓實(shí)黏土襯墊使用時(shí)間最長，積累經(jīng)驗(yàn)最多，是符合我國國情的襯墊材料之一。填埋場(chǎng)產(chǎn)生的滲濾液中含有多種有機(jī)和無機(jī)污染物，當(dāng)其在底部襯墊中運(yùn)移時(shí)，將與襯墊之間發(fā)生復(fù)雜的相互作用，從而影響襯墊材料的防滲性能，這就是黏土襯墊的化學(xué)相容性。封頂材料遇到溶液時(shí)，其滲透系數(shù)也可能與水滲濾時(shí)不相同。另一方面，在垃圾填埋過程中，作用于底部襯墊上的壓力是逐漸增加的，襯墊性能也將隨之發(fā)生變化。

國外學(xué)者針對(duì)壓實(shí)黏土襯墊化學(xué)相容性進(jìn)行了一些研究［1－3］。Peirce 等研究了500 mg/L FeCl3，50 mg/L和300 g/L Ni(NO3)2溶液在3種黏土襯墊中的滲透，發(fā)現(xiàn)這幾種無機(jī)溶液對(duì)壓實(shí)黏土襯墊滲透系數(shù)的影響不大。Kim研究了VOC在壓實(shí)黏土襯墊中的運(yùn)移，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)試驗(yàn)中，VOC作用后黏土的滲透系數(shù)為作用前的1.2倍。我國學(xué)者對(duì)滲透性能的研究主要針對(duì)傳統(tǒng)巖土領(lǐng)域，而對(duì)實(shí)際工況下垃圾填埋場(chǎng)中壓實(shí)黏土襯墊滲透性能的研究還不多［4－6］。劉和平等研究了2種濃度的鉛鎘混合溶液在黏土襯層中的滲透、遷移和轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)溶液的滲透系數(shù)都比純水時(shí)的滲透系數(shù)略有降低;羅春泳研究了0.05 mol/L和0.1 mol/L 2種濃度下 KCl與 Cu-SO4等溶液在杭州天子嶺黏土中的滲透，也發(fā)現(xiàn)濃度的增高會(huì)使?jié)B透系數(shù)降低，當(dāng)以溶液飽和土樣時(shí)，滲透系數(shù)隨土中離子含量的增大而增大;劉優(yōu)平等發(fā)現(xiàn)，黏土在酸性條件下滲透系數(shù)隨時(shí)間的推移而增加。已有研究所選取溶液的濃度點(diǎn)相對(duì)較少。

本文對(duì)模擬滲濾液和壓力作用下襯墊的滲透系數(shù)進(jìn)行研究，探討滲透系數(shù)的影響因素，進(jìn)一步加深對(duì)壓實(shí)黏土襯墊防滲性能的認(rèn)識(shí)。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料選取武漢市長山口垃圾填埋場(chǎng)附近的黏土，該填埋場(chǎng)將這種黏土作為基層，用于GCL復(fù)合襯墊的底部。土樣基本物理性質(zhì)見表1，擊實(shí)曲線見圖1，均按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123－1999)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)土樣為高液限黏土，最優(yōu)含水率為23.0%，最大干密度為1.61 g/cm3。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of test soil samples

圖1 試驗(yàn)土樣擊實(shí)曲線Fig.1 Curve of compaction test on soil sample

選擇0～0.07 mol/L的CaCl2溶液模擬滲濾液，這是因?yàn)?Ca2+和Cl－是垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中常見的污染物離子，Ca2+在200～3000 mg/L之間變化［7］。而滲濾液中高價(jià)陽離子的存在是影響襯墊防滲性能的一個(gè)重要方面［8］。

在進(jìn)行滲透試驗(yàn)時(shí)，首先將風(fēng)干土碾碎后過2mm篩，以擊實(shí)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率和最大干密度為標(biāo)準(zhǔn)，制備重塑土樣;然后配置CaCl2溶液，將土樣抽真空后浸泡于溶液中，靜置7天，并定期攪拌溶液使其均勻;采用QY1-2型滲壓儀進(jìn)行不同壓力下各溶液浸泡土樣的變水頭滲透試驗(yàn)，每種狀態(tài)下各進(jìn)行了2個(gè)平行試驗(yàn)，取平均值進(jìn)行分析。

在垃圾填埋場(chǎng)的運(yùn)行期間，隨著垃圾的填入，底部襯墊所受的壓力發(fā)生變化，從填入垃圾前的低應(yīng)力狀態(tài)(5～20 kPa)逐漸變化到填入垃圾并封場(chǎng)后的高應(yīng)力狀態(tài)(約100～400 kPa)。因此，選用200，300和400 kPa等幾種豎向壓力進(jìn)行試驗(yàn)。

采用高壓固結(jié)儀進(jìn)行了各濃度溶液下土樣的固結(jié)和壓縮試驗(yàn)，土樣的制備過程與滲透試驗(yàn)相同。采用時(shí)間對(duì)數(shù)法確定固結(jié)系數(shù)Cv，基于太沙基一維固結(jié)理論得到滲透系數(shù)k，即

式中γw為水的重度;αv為壓縮系數(shù);e為初始孔隙比。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 滲透試驗(yàn)結(jié)果

各級(jí)壓力下壓實(shí)黏土襯墊滲透系數(shù)隨CaCl2溶液濃度的變化見圖2所示。試驗(yàn)土樣滲透系數(shù)都大于國家標(biāo)準(zhǔn)10－7cm/s的要求，因此不宜直接用作壓實(shí)黏土襯墊。隨著CaCl2溶液濃度的增大，滲透系數(shù)增大;當(dāng)濃度較小時(shí)，滲透系數(shù)變化較大，而當(dāng)濃度較大時(shí)，曲線逐漸趨于平緩。各溶液條件下滲透系數(shù)與水滲濾時(shí)滲透系數(shù)的比值最大為2.3。

圖2 滲透系數(shù)隨溶液濃度的變化Fig.2 Relationship between hydraulic conductivity and solution concentration

滲透系數(shù)隨豎向壓力的變化如圖3所示?？梢钥闯觯瑝毫Φ淖兓瘜?duì)滲透系數(shù)有較大的影響，滲透系數(shù)隨壓力的增大而減小。無論CaCl2溶液的濃度為多少，當(dāng)壓力從200 kPa增大到400 kPa時(shí)，滲透系數(shù)減小約1個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在襯墊設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)時(shí)，襯墊滲透系數(shù)的取值考慮豎向壓力是非常有必要的。

圖3 滲透系數(shù)隨豎向壓力的變化Fig.3 Relationship between hydraulic conductivity and vertical pressure

3.2 固結(jié)和壓縮試驗(yàn)結(jié)果

溶液作用下土樣的壓縮曲線和固結(jié)曲線見圖4和圖5。從壓縮曲線可以看出:在相同的壓力下，CaCl2溶液濃度越大孔隙比越小，但變化幅度不大。從固結(jié)曲線可以看出:不同壓力下，固結(jié)曲線的形態(tài)有較大變化，但是CaCl2溶液濃度所引起的曲線形態(tài)變化很小。

圖4 試驗(yàn)土樣壓縮曲線Fig.4 Curves of compression test on soil sample

圖5 試驗(yàn)土樣固結(jié)曲線Fig.5 Curves of consolidation test on soil sample

采用時(shí)間對(duì)數(shù)法得到固結(jié)系數(shù)，根據(jù)滲透系數(shù)與固結(jié)系數(shù)之間的關(guān)系得到滲透系數(shù)如圖6和圖7所示?？梢钥闯?，圖6與圖3曲線相似，均反映出壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響較大;圖7中滲透系數(shù)隨CaCl2溶液濃度變化不明顯。

圖6 滲透系數(shù)隨壓力的變化Fig.6 Relationship between hydraulic conductivity and vertical pressure

圖7 滲透系數(shù)隨溶液濃度的變化Fig.7 Relationship between hydraulic conductivity and solution concentration

圖8所示為滲透試驗(yàn)與固結(jié)試驗(yàn)得到滲透系數(shù)的關(guān)系，兩者的比值均大于1(固結(jié)試驗(yàn)得到的結(jié)果較小)，且隨壓力的增大而增大。這表明，根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)確定滲透系數(shù)雖然能夠反映其隨壓力和溶液變化的基本規(guī)律，但結(jié)果偏于不安全。固結(jié)試驗(yàn)中應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)相互影響，而滲透試驗(yàn)是在各級(jí)壓力下變形穩(wěn)定后進(jìn)行的;另外，理論假設(shè)等方面的差異，造成2種方法得到滲透系數(shù)結(jié)果不盡相同。

圖8 滲透試驗(yàn)與固結(jié)試驗(yàn)所得滲透系數(shù)的比值隨壓力的變化Fig.8 Ratio of hydraulic conductivity of seepage test to that of consolidation test vs.time

4 討論

4.1 模擬滲濾液對(duì)界限含水率的影響

如前所述，已有研究表明，無機(jī)溶液對(duì)黏土襯墊滲透系數(shù)的影響不明顯，本文得到的結(jié)果與已有結(jié)果是一致的。本文以溶液飽和土樣，CaCl2溶液濃度的增大將使擴(kuò)散雙電層厚度減小，土的結(jié)構(gòu)發(fā)生絮凝，滲濾液更容易通過，因此滲透系數(shù)增大。

土樣界限含水率隨試驗(yàn)溶液的變化見圖9(a)。對(duì)于選用的試驗(yàn)土樣，用自來水和去離子水進(jìn)行試驗(yàn)得到的液限、塑限及塑性指數(shù)變化很小，所以，壓實(shí)黏土襯墊的性質(zhì)試驗(yàn)可以用自來水進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)溶液從水變?yōu)?.05 mol/L的CaCl2溶液時(shí)，液限減小，塑限增加，塑性指數(shù)減小。圖中還顯示了離子強(qiáng)度與0.05 mol/L CaCl2溶液相等的KCl和CaCl2混合溶液的界限含水率，均處于水和純?nèi)芤褐g。

液限常被用作表征襯墊化學(xué)相容性的參數(shù)，增加離子化合價(jià)或離子濃度或降低介電常數(shù)，會(huì)造成液限減小和滲透系數(shù)增大。滲透溶液分別為自來水、CaCl2溶液和混合溶液時(shí)，滲透系數(shù)與液限的關(guān)系見圖9(b)?？梢钥闯觯旌先芤旱臐B透系數(shù)也處于水和純?nèi)芤褐g。滲透系數(shù)隨液限的增大有減小的趨勢(shì)。

4.2 概率分析

為分析模擬滲濾液濃度和壓力對(duì)壓實(shí)黏土襯墊滲透性能的影響程度，采用無交互作用的雙因素方差分析(見表2)。方差分析將所有樣本結(jié)合在一起，使數(shù)據(jù)數(shù)量增多，在分析眾多因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性上，分析結(jié)果的穩(wěn)定性較高，通過比較檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F和臨界值Fα即可確定因素是否對(duì)觀測(cè)變量有顯著影響。從表2可以看出，由于FA=4.11＜F0.01=5.63，說明在顯著性水平 α=0.01下，模擬滲濾液CaCl2溶液濃度對(duì)壓實(shí)黏土襯墊的滲透系數(shù)沒有顯著影響;而 FB=177.61?F0.01=7.56，說明壓力對(duì)壓實(shí)黏土襯墊的滲透系數(shù)有顯著影響。

圖9 溶液濃度對(duì)界限含水率的影響Fig.9 Impact of solution concentration on the limit water content

表2 壓實(shí)黏土襯墊滲透系數(shù)雙因素方差分析Table 2 Dual-factor variance analysis on the hydraulic conductivity of compacted clay liners

5 結(jié)論

(1)對(duì)于壓實(shí)黏土襯墊而言，壓力是影響滲透系數(shù)的重要因素。當(dāng)壓力增大2倍時(shí)，滲透系數(shù)可能減小1個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)以CaCl2溶液為模擬滲濾液進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，壓實(shí)黏土襯墊的滲透系數(shù)有增大的趨勢(shì)，最大可增加約2倍。

(3)CaCl2溶液濃度對(duì)壓實(shí)黏土襯墊滲透系數(shù)沒有顯著影響，而壓力的影響是顯著的。在進(jìn)行襯墊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)時(shí)，考慮實(shí)際壓力條件是非常有必要的。從本文試驗(yàn)結(jié)果來看，用自來水代替模擬滲濾液進(jìn)行壓實(shí)黏土襯墊的滲透試驗(yàn)所帶來的誤差較小。

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