曾剛，李業(yè)學，王婧，馬駿，劉磊*，田宇

(1.湖北文理學院 土木工程與建筑學院，湖北 襄陽 441053；2.中國科學院 武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；3.武漢環(huán)境投資開發(fā)集團有限公司，湖北 武漢 430015)

0 引言

填埋氣體的災變控制與資源化利用是環(huán)境巖土工程領域研究的熱點課題之一[1-5]。填埋氣體的收集利用具有重要的現(xiàn)實意義，一方面可以減少環(huán)境污染問題，另一方面可以變廢為寶，創(chuàng)造可觀的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。垃圾土的氣體滲透率和孔隙度是填埋氣體遷移的關鍵參數(shù)，它是反映多孔介質自身傳遞流體能力的物理參數(shù)也是影響填埋氣體遷移規(guī)律預測、收集利用和導排的重要參數(shù)[6]。系統(tǒng)掌握垃圾土的氣體滲透特性，可為填埋氣體遷移規(guī)律的合理預測提供理論依據(jù)，也為科學而有效的收集利用填埋氣體提供技術支持。

氣體滲透率和孔隙度是表征垃圾土氣體滲透特性的重要指標。目前，很多學者對垃圾土的氣體滲透特性開展了研究。彭緒亞等[7]研制了箱體導氣試驗裝置，研究了壓實密度和含水率對不同降解階段填埋垃圾體滲透特性的影響，結果表明新鮮垃圾與混和垃圾的滲透系數(shù)接近，腐熟垃圾明顯高于前兩者，含水率對滲透系數(shù)的影響要遠小于壓實密度的影響。彭緒亞等[8]研究表明垂直壓實的填埋垃圾體中，水平方向滲透系數(shù)平均值Kh為垂直方向滲透系數(shù)Kv的7.5～20倍，填埋垃圾體各向異性特征明顯，垃圾體滲透系數(shù)與壓實密度、含水率的關系分別滿足指數(shù)和線性遞減規(guī)律。KALLEL等[9]研制了圓筒導氣試驗裝置，測定了預處理后的新鮮垃圾和焚燒后垃圾的氣體滲透性，結果表明固有滲透率介于10-10～10-9m2。魏海云等[10]通過自制導氣試驗裝置，開展了七子山填埋場現(xiàn)場鉆孔垃圾試樣氣體滲透性室內試驗，結果表明所測試垃圾固有滲透系數(shù)為10-13～10-10m2，垃圾試樣的孔隙比、飽和度和組分對氣體滲透性均有顯著的影響。施建勇等[6]研制了垃圾土的非飽和滲透試驗儀，開展了氣體壓力和孔隙對垃圾土氣體滲透系數(shù)影響的室內試驗，研究發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)隨滲透壓力呈現(xiàn)非線性特性，且可以用Forchheimer非達西滲流方程較好地擬合。STOLTZ等[11-12]自主研發(fā)了一套測定氣體滲透率的設備，開展了法國某垃圾填埋場現(xiàn)場新鮮垃圾試樣的氣體滲透率室內試驗，結果表明滲透率的范圍為10-14～2×10-10m2。

本文介紹了自主研制的垃圾土氣體滲透特性試驗裝置的構造、基本原理和試驗方法，并開展了氣體壓縮性近氣端壓力、壓縮位移等不同影響因素下的室內試驗研究，研究成果可為填埋氣體遷移和資源化利用的研究提供支撐。

1 試驗裝置

1.1 裝置組成

垃圾土的氣體滲透特性試驗裝置[13]是由自主設計研發(fā)，可測定垃圾土孔隙度和氣體滲透率等指標。設備的實物圖和部分細節(jié)構造如圖1和圖2所示。主要由：1-氮氣瓶，2-框架，3-加壓氣缸，4-電磁閥，5-位移傳感器，6-加載活塞，7-壓力傳感器，8-氣體標準壓力室，9-六通閥，10-試樣筒，11-固定底座，12-控制箱，13-壓力、位移、氣體壓力和流量顯示盤，14-管路，15-試樣進氣端控制閥，16-加載壓力控制閥，17-流量計控制閥，18-加壓氣缸升降按鈕，19-總電源開關，20-氣缸浮動接頭，電腦以及數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)等構成部件組成。

試驗裝置基本技術參數(shù)[14]：試樣筒的材質為316L不銹鋼，耐腐蝕，承壓范圍為0～1 MPa，豎直放置；試樣筒的直徑為100 mm，高度為300 mm，壓實行程為0～150 mm；氣體壓力標準室由一個體積為200 mL和500 mL共同組成，氣體壓力標準室的工作壓力范圍為0～16 MPa；位移傳感器的量程為0～150 mm，精確度為0.01 mm；氣體質量流量計為0～500 mL/min和0～5 000 mL/min兩個不同的量程，小量程用于開展試樣滲透率小的試驗，大量程可用于開展試樣滲透率大的試驗，精確度分別為0.01 mL/min，0.1 mL/min。

圖1 垃圾土氣體滲透特性試驗裝置

圖2 垃圾土氣體滲透特性試驗裝置細部結構圖

1.2 孔隙度和氣體滲透率測試基本原理

1.2.1 孔隙度測試

孔隙度的測定是基于波義耳定律，即在恒溫下，密閉容器中的定量氣體，氣體的壓強和體積成反比關系。P1V1=P2V2,P1為平衡前的壓力，V1為平衡前的體積，P2為平衡后的壓力，V2為平衡后的體積。平衡前的體積V1通過標定可獲得，由波義耳定律根據(jù)式(1)可計算出平衡后的體積V2，即可獲得試樣中的孔隙體積。根據(jù)孔隙度的定義，孔隙體積與總體積之比，即可獲得垃圾土試樣的孔隙度。

VSC·P1=(VSPC-VS+VSC)·P2，

(1)

式中，VSC是氣體標準壓力室的體積，VSPC是試樣筒中垃圾土樣本的體積，VS是試樣的固體顆粒體積，P1是氣體標準壓力室的初始氣壓，P2是試樣筒和氣體標準壓力室中的穩(wěn)定氣壓。

孔隙度φ計算公式如式(2)所示：

(2)

1.2.2 氣體滲透率測試

氣體滲透率通過恒壓試驗獲得。假設氣體的膨脹是一個等溫過程，基于多孔介質氣體滲流理論，并考慮氣體的壓縮性，氣體通過垃圾介質的流動符合達西定律，可獲得滲透率的計算公式如式(3)所示：

(3)

式中，k為氣體滲透率，單位為m2；PA為試樣入口處的氣體壓力，單位為kPa；QB為流經(jīng)試樣出口端的氣體體積流量，單位為mL/s；L為試樣的長度，單位為m；A為試樣的橫截面積，單位為mm2；PB為試樣出口處的氣體壓力，單位為kPa，為大氣壓；μ為氣體的粘滯系數(shù)，單位為μPa·s。入口處的氣體壓力由壓力傳感器測定值與大氣壓之和，而出口處的氣體流速通過氣體質量流量計記錄。

1.2.3 試驗方法

試驗中氣體滲透介質為氮氣，氮氣為惰性氣體對試樣測試結果的影響可忽略。通過數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)將試驗結果由計算機直接記錄。文獻[15]給出了垃圾土氣體滲透裝置中孔隙度和氣體滲透率測試的具體操作流程和試驗步驟。試驗裝置的數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示。

圖3 試驗裝置數(shù)據(jù)采集界面

2 室內試驗研究

2.1 試驗材料

人工配制垃圾土試樣是對各種組分采用性質相近的材料代替并按總體配比配制試樣，具有成本低，初始條件可控性好及試驗成果的可重復性高的優(yōu)點，是填埋場進行規(guī)律性研究的重要途徑[16]。試驗中人工配制的垃圾土試樣組分和比例如表1所示，其基本物理性質如表2所示。試驗材料中各組分的粒徑均人工破碎至4 cm以下，嚴格控制試驗條件，盡量減少外界因素對試驗的影響。垃圾土各試樣組分按照試驗方案拌合均勻后密封養(yǎng)護24 h，使試樣的水分混合均勻。

表1 垃圾土試樣組分表

垃圾土試樣的含水率、密度和有機質按照《生活垃圾土土工試驗技術規(guī)程》測定[17]。試樣比重和孔隙比利用文獻[18]所給公式計算獲得。

表2 垃圾土試樣的物理性質

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 氣體壓縮性對氣體滲透率的影響

葉為民等[19]基于多孔介質氣體滲流理論，建立了考慮氣體壓縮性的，描述非飽和土中氣體滲流運動的本構方程，給出了氣體出口端的流速計算如式(4)所示：

(4)

IVERSEN等[20]在達西定律的基礎上，建立了不考慮氣體壓縮性的多孔介質中氣體流速計算如式(5)所示：

(5)

式中，v為出口端的氣體流速，m/s；QB為試樣出口端的氣體體積流量，mL/s；A為試樣的橫截面積，單位為mm2；k為氣體滲透率，單位為m2；P2為試樣入口處的氣體壓力，單位為kPa；P1為試樣出口處的氣體壓力，P1和P2均為相對壓力；H為試樣的高度，單位為mm。

根據(jù)式(4)和式(5)，氣體粘滯系數(shù)已知，試樣長度或高度通過位移傳感器可獲得，監(jiān)測出垃圾土試樣的出口端氣體壓力和流速，即可得到試樣的氣體滲透率。

圖4為垃圾土試樣氣體滲透率在考慮和不考慮氣體壓縮性下對比。

由圖4可知，考慮氣體壓縮性的葉為民氣體滲透模型測得的氣體滲透率數(shù)據(jù)比不考慮氣體壓縮性的Iversen模型的數(shù)值略大，且進氣端壓力越大，兩個模型的計算結果差距也越大。

2.2.2 壓力平方差梯度對氣體流速的影響

圖4 不同模型氣體滲透率對比

Fig.4 Gas permeability contrast of different models

圖5 氣體流速和壓力平方差梯度的關系

Fig.5 Relationship between gas velocity and pressure squared gradient

由圖5可知，隨著進氣端壓力的增大，氣體流動通道變大，垃圾土試樣中氣體流速也不斷增大，且變化幅度較大，這是因為試樣內部封閉及半封閉的孔隙，在進氣端壓力較大時被擊穿。葉為民等[19]關于非飽和粘土中氣體流動試驗研究表明，氣體流速與外界所施加的“壓力平方差梯度”之間存在明顯的分段特征而呈一條明顯的上凹型曲線，氣體在粘土中滲透存在起始壓力值，只有當進氣端壓力達到一定數(shù)值時才會出現(xiàn)明顯的氣體滲流量，即土體中氣體滲流存在啟動壓力平方差梯度和臨界流速。垃圾土試樣中氣體滲透試驗結果可發(fā)現(xiàn)氣體流速與外界所施加的“壓力平方差梯度”是呈折線上升，不像文獻[19]提到的氣體在非飽和粘土滲透存在明顯的有分段特征和上凹型曲線的現(xiàn)象，氣體在垃圾土和粘土中的區(qū)別在于不存在啟動壓力平方差梯度和臨界流速，主要原因是由于垃圾土的孔隙結構較松散，當進氣端稍有壓力時，氣體便會迅速從孔隙通道中流出。

2.2.2 進氣端壓力的確定

布魯納說：“學習的最好刺激，乃是興趣?！睂τ谛W生來說，興趣是培養(yǎng)創(chuàng)新思維的前提。因此，數(shù)學教學中要注意激發(fā)學生濃厚的興趣，強烈的創(chuàng)新欲望，使學生在探究數(shù)學知識中體驗合作，創(chuàng)新的歡樂。

在室內垃圾土開展氣體滲透試驗時，如果進氣端壓力過小則可能在出口端監(jiān)測不到氣體流速，而進氣端壓力過大則會將加壓板頂起而影響試驗的測定，也可能會導致液體的流動而影響試樣中氣體的遷移。因此，進氣端壓力的確定對氣體滲透率的確定尤為重要，通過不同大小的進氣端壓力的氣體滲透試驗，確定室內開展氣體滲透試驗時最合適的進氣端壓力顯得尤為必要。

開展了5個不同壓縮位移、6個不同進氣端壓力下垃圾土試樣的氣體滲透率測試。通過調節(jié)加載壓力控制閥，增大加壓氣缸的壓力使加載活塞對垃圾試樣加載，測定了壓縮位移在10、20、30、40、50 mm下試樣的氣體滲透率和孔隙度。根據(jù)位移傳感器監(jiān)測的位移值，當位移快達到設定值時慢慢對加壓活塞降壓，避免壓力過大使試樣過壓而超過了所控制的位移值。圖6為不同進氣端壓力下氣體滲透率數(shù)據(jù)圖。

由圖6可知，隨著進氣端壓力的增大，試樣的出口流量不斷增大，試樣的氣體滲透率數(shù)值是不斷減小的趨勢。隨著進氣端壓力和壓縮位移的增大，試樣的氣體滲透率降低的幅度越來越小。5個不同壓縮位移下垃圾土試樣在6個不同進氣端壓力所測得的氣體滲透率平均值和進氣端壓力為3 kPa時的數(shù)值最為接近，因此，在開展垃圾土室內氣體滲透試驗建議進氣端壓力確定為3 kPa最佳。這與Stoltz等[11]開展垃圾土試樣室內氣體滲透率試驗時，確定的進氣端入口壓力數(shù)值應限制小于2 kPa不同，原因可能是文獻[11]中進氣端入口壓力如果大于2 kPa會使試樣頂部加壓板頂起而影響試驗。

2.2.3 不同壓縮位移對試樣氣體滲透率和孔隙度的影響

圖7為進氣壓力為3 kPa時，5個不同壓縮位移下垃圾土試樣氣體滲透率和孔隙度數(shù)據(jù)。

由圖7可知，隨著壓縮位移的增大，垃圾土試樣的孔隙度由0.57降低到0.3，呈不斷減小的趨勢，氣體滲透率由11×10-13m2降低到7×10-13m2，也是呈不斷減小的趨勢。其主要原因是隨著試樣不斷被壓縮，其孔隙被壓的越密實，試樣的孔隙空間減小，氣體流動的通道減小，因此試樣的孔隙度和氣體滲透率也不斷降低。

圖6 不同進氣端壓力下氣體滲透率

Fig.6 Gas permeability of MSW under different inlet pressure

圖7 不同壓縮位移下試樣氣體滲透率和孔隙度

Fig 7 Gas permeability and porosity under different compression displacements

2.2.4 試樣組成成分對氣體滲透率的影響

圖8 垃圾土試樣組成成分對比

由圖7可知，本文的垃圾土試樣氣體滲透率范圍為10-13～10-12m2。垃圾土試樣的組成成分對氣體滲透率的測試范圍影響較大。STOLTZ等[12]測定的法國某填埋場新鮮垃圾氣體滲透率的范圍為10-14～10-10m2，本文所測定的氣體滲透率值比其低2個數(shù)量級。試驗結果差別的原因是，垃圾試樣的組成成分不同，文獻[12]試樣中含有大量的金屬、玻璃等不易壓縮的成分，試樣組成成分對比如圖8所示。不易壓縮成分使試樣的孔隙空間較大，試驗結束后其試樣的孔隙度均在0.6以上，而本文孔隙度則降低到0.3，因此其所測得垃圾土的氣體滲透率也較大。

本文的垃圾土試樣氣體滲透率測試結果比魏海云等[10]測定的氣體滲透率結果要小，其原因可能是文獻中試樣為現(xiàn)場鉆孔垃圾，且不同填埋深度的試樣隨著填埋齡期的增大，垃圾降解程度增大其組分也發(fā)生較大變化，且研究表明在控制試樣的孔隙比與飽和度相同這一特定條件下，垃圾氣體滲透系數(shù)隨填埋齡期的增加而線性增大，本文垃圾土試樣為人工配制新鮮垃圾，因此本試驗測試結果要小。

3 結論

論文自主研制了一套垃圾土氣體滲透特性試驗裝置，開展了不同影響因素下垃圾土氣體滲透室內試驗研究，論文得到的主要結論如下：

① 該裝置設計的基本原理明確，操作方便，可測定垃圾土的氣體滲透率和孔隙度，應用結果表明該儀器性能可滿足室內垃圾土的氣體滲透特性試驗研究。

② 考慮氣體壓縮性計算的滲透率的比沒有考慮氣體壓縮性的數(shù)值略大，且進氣端壓力越大其差值越大。

③ 垃圾土中氣體滲透隨著進氣端壓力增大，試樣中氣體流速也不斷增大，且變化幅度較大。氣體在垃圾土中滲透過程不像在黏土中滲透那樣存在啟動壓力平方差梯度和臨界流速。

④ 在開展垃圾土室內氣體滲透試驗建議進氣端壓力取為3 kPa。隨著壓縮位移的增大，垃圾土試樣的孔隙度和氣體滲透率都是呈不斷減小的趨勢。

⑤ 垃圾土試樣的組成成分對氣體滲透率的測試范圍影響較大，本文的垃圾土試樣氣體滲透率范圍為10-13～10-12m2。