模擬滲濾液和壓力對壓實黏土襯墊滲透性影響的試驗研究

何 俊，肖衡林，孔祥怡

(湖北工業大學土木工程與建筑學院，武漢 430068)

1 研究背景

黏土是垃圾填埋場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對周圍環境的二次污染。目前國內外常用的襯墊材料包括壓實黏土襯墊、膨潤土防水毯(GCL)、土工膜等，其中壓實黏土襯墊使用時間最長，積累經驗最多，是符合我國國情的襯墊材料之一。填埋場產生的滲濾液中含有多種有機和無機污染物，當其在底部襯墊中運移時，將與襯墊之間發生復雜的相互作用，從而影響襯墊材料的防滲性能，這就是黏土襯墊的化學相容性。封頂材料遇到溶液時，其滲透系數也可能與水滲濾時不相同。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生變化。

國外學者針對壓實黏土襯墊化學相容性進行了一些研究［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，發現這幾種無機溶液對壓實黏土襯墊滲透系數的影響不大。Kim研究了VOC在壓實黏土襯墊中的運移，發現大多數試驗中，VOC作用后黏土的滲透系數為作用前的1.2倍。我國學者對滲透性能的研究主要針對傳統巖土領域，而對實際工況下垃圾填埋場中壓實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、遷移和轉化，發現溶液的滲透系數都比純水時的滲透系數略有降低;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，也發現濃度的增高會使滲透系數降低，當以溶液飽和土樣時，滲透系數隨土中離子含量的增大而增大;劉優平等發現，黏土在酸性條件下滲透系數隨時間的推移而增加。已有研究所選取溶液的濃度點相對較少。

本文對模擬滲濾液和壓力作用下襯墊的滲透系數進行研究，探討滲透系數的影響因素，進一步加深對壓實黏土襯墊防滲性能的認識。

2 試驗方案

試驗材料選取武漢市長山口垃圾填埋場附近的黏土，該填埋場將這種黏土作為基層，用于GCL復合襯墊的底部。土樣基本物理性質見表1，擊實曲線見圖1，均按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123－1999)進行試驗。試驗土樣為高液限黏土，最優含水率為23.0%，最大干密度為1.61 g/cm3。

表1 試驗土樣的基本物理性質指標Table 1 Basic physical properties of test soil samples

圖1 試驗土樣擊實曲線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，這是因為:Ca2+和Cl－是垃圾填埋場滲濾液中常見的污染物離子，Ca2+在200～3000 mg/L之間變化［7］。而滲濾液中高價陽離子的存在是影響襯墊防滲性能的一個重要方面［8］。

在進行滲透試驗時，首先將風干土碾碎后過2mm篩，以擊實試驗得到的最優含水率和最大干密度為標準，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型滲壓儀進行不同壓力下各溶液浸泡土樣的變水頭滲透試驗，每種狀態下各進行了2個平行試驗，取平均值進行分析。

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

采用高壓固結儀進行了各濃度溶液下土樣的固結和壓縮試驗，土樣的制備過程與滲透試驗相同。采用時間對數法確定固結系數Cv，基于太沙基一維固結理論得到滲透系數k，即

式中γw為水的重度;αv為壓縮系數;e為初始孔隙比。

3 試驗結果

3.1 滲透試驗結果

各級壓力下壓實黏土襯墊滲透系數隨CaCl2溶液濃度的變化見圖2所示。試驗土樣滲透系數都大于國家標準10－7cm/s的要求，因此不宜直接用作壓實黏土襯墊。隨著CaCl2溶液濃度的增大，滲透系數增大;當濃度較小時，滲透系數變化較大，而當濃度較大時，曲線逐漸趨于平緩。各溶液條件下滲透系數與水滲濾時滲透系數的比值最大為2.3。

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

滲透系數隨豎向壓力的變化如圖3所示?？梢钥闯觯瑝毫Φ淖兓瘜B透系數有較大的影響，滲透系數隨壓力的增大而減小。無論CaCl2溶液的濃度為多少，當壓力從200 kPa增大到400 kPa時，滲透系數減小約1個數量級。因此，在襯墊設計和評價時，襯墊滲透系數的取值考慮豎向壓力是非常有必要的。

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

3.2 固結和壓縮試驗結果

溶液作用下土樣的壓縮曲線和固結曲線見圖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。從固結曲線可以看出:不同壓力下，固結曲線的形態有較大變化，但是CaCl2溶液濃度所引起的曲線形態變化很小。

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

圖5 試驗土樣固結曲線Fig.5 Curves of consolidation test on soil sample

采用時間對數法得到固結系數，根據滲透系數與固結系數之間的關系得到滲透系數如圖6和圖7所示?？梢钥闯觯瑘D6與圖3曲線相似，均反映出壓力對滲透系數的影響較大;圖7中滲透系數隨CaCl2溶液濃度變化不明顯。

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

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

圖8所示為滲透試驗與固結試驗得到滲透系數的關系，兩者的比值均大于1(固結試驗得到的結果較小)，且隨壓力的增大而增大。這表明，根據固結試驗確定滲透系數雖然能夠反映其隨壓力和溶液變化的基本規律，但結果偏于不安全。固結試驗中應力場與滲流場相互影響，而滲透試驗是在各級壓力下變形穩定后進行的;另外，理論假設等方面的差異，造成2種方法得到滲透系數結果不盡相同。

圖8 滲透試驗與固結試驗所得滲透系數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 模擬滲濾液對界限含水率的影響

如前所述，已有研究表明，無機溶液對黏土襯墊滲透系數的影響不明顯，本文得到的結果與已有結果是一致的。本文以溶液飽和土樣，CaCl2溶液濃度的增大將使擴散雙電層厚度減小，土的結構發生絮凝，滲濾液更容易通過，因此滲透系數增大。

土樣界限含水率隨試驗溶液的變化見圖9(a)。對于選用的試驗土樣，用自來水和去離子水進行試驗得到的液限、塑限及塑性指數變化很小，所以，壓實黏土襯墊的性質試驗可以用自來水進行試驗。當試驗溶液從水變為0.05 mol/L的CaCl2溶液時，液限減小，塑限增加，塑性指數減小。圖中還顯示了離子強度與0.05 mol/L CaCl2溶液相等的KCl和CaCl2混合溶液的界限含水率，均處于水和純溶液之間。

液限常被用作表征襯墊化學相容性的參數，增加離子化合價或離子濃度或降低介電常數，會造成液限減小和滲透系數增大。滲透溶液分別為自來水、CaCl2溶液和混合溶液時，滲透系數與液限的關系見圖9(b)。可以看出，混合溶液的滲透系數也處于水和純溶液之間。滲透系數隨液限的增大有減小的趨勢。

4.2 概率分析

為分析模擬滲濾液濃度和壓力對壓實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合在一起，使數據數量增多，在分析眾多因素對試驗結果影響的顯著性上，分析結果的穩定性較高，通過比較檢驗統計量F和臨界值Fα即可確定因素是否對觀測變量有顯著影響。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溶液濃度對壓實黏土襯墊的滲透系數沒有顯著影響;而 FB=177.61?F0.01=7.56，說明壓力對壓實黏土襯墊的滲透系數有顯著影響。

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

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

5 結論

(1)對于壓實黏土襯墊而言，壓力是影響滲透系數的重要因素。當壓力增大2倍時，滲透系數可能減小1個數量級。

(2)以CaCl2溶液為模擬滲濾液進行試驗時，壓實黏土襯墊的滲透系數有增大的趨勢，最大可增加約2倍。

(3)CaCl2溶液濃度對壓實黏土襯墊滲透系數沒有顯著影響，而壓力的影響是顯著的。在進行襯墊系統的設計和評價時，考慮實際壓力條件是非常有必要的。從本文試驗結果來看，用自來水代替模擬滲濾液進行壓實黏土襯墊的滲透試驗所帶來的誤差較小。

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