大型水泥土屏障模型試驗(yàn)研究

解子軍

(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)填埋場(chǎng)采用的防滲措施主要有垂直隔離防滲和水平防滲。常見(jiàn)的用于控制污染物遷移的垂直隔離措施有:帷幕注漿、地下隔離墻、深層攪拌樁墻、鋼板樁墻、高壓噴射灌漿板墻等(許麗萍等，2006)。由于帷幕注漿和深層攪拌樁防滲在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上具有一定優(yōu)勢(shì)，在填埋場(chǎng)工程及污染場(chǎng)地中常作為首選方案(席永慧，2003)，其方法是水泥漿與土壤顆粒膠結(jié)形成滲透系數(shù)較小的隔離帷幕，以截?cái)辔廴疚锶苜|(zhì)的遷移路徑，隔離污染物。但是在常規(guī)的設(shè)計(jì)中只把它當(dāng)成防滲屏，未考慮污染物還可能通過(guò)擴(kuò)散的形式遷移，所以需要測(cè)得隔離屏障的遷移參數(shù)，求出合理的使用壽命，以正確評(píng)價(jià)屏障的隔離效果。

考慮通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定遷移參數(shù)雖然較準(zhǔn)確，但很難控制試驗(yàn)條件，不僅試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而模型試驗(yàn)是排除法，可以重點(diǎn)研究1～2個(gè)影響因素。故本次研究擬通過(guò)大型模型屏障試驗(yàn)來(lái)測(cè)定遷移參數(shù)。

根據(jù)調(diào)研，現(xiàn)有室內(nèi)試驗(yàn)都是采用純黏土作為隔離屏障，但在實(shí)際工程中，水泥土垂直隔離屏障卻應(yīng)用得更加廣泛，而在國(guó)內(nèi)外針對(duì)水泥土屏障的研究卻鮮有報(bào)道。因此，希望通過(guò)本模型試驗(yàn)獲得水泥土屏障遷移參數(shù)的研究成果，為指導(dǎo)水泥土屏障在工程中的應(yīng)用進(jìn)行初步研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

屏障的擴(kuò)散系數(shù)主要取決于屏障本身的特性，本試驗(yàn)選取水泥摻量和屏障厚度作為2個(gè)主要影響因素，設(shè)計(jì)了6個(gè)屏障試驗(yàn)(表1)。

表1 屏障參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)材料

2.2.1 土樣 取自上海市某工地(第③層土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土)，風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)2.5 mm篩后儲(chǔ)存待用。具體顆粒組成見(jiàn)表2。

表2 土樣顆粒級(jí)配表

2.2.2 水泥 標(biāo)號(hào)425。

2.2.3 儀器設(shè)備 試驗(yàn)中使用的主要儀器設(shè)備有離心機(jī)(將取得的水樣、泥漿樣離心取得清樣)和原子吸收分光光度計(jì)(測(cè)金屬離子濃度)等。

2.2.4 污染物質(zhì) 經(jīng)過(guò)對(duì)上海地區(qū)大量的污染場(chǎng)地的取樣調(diào)查，檢測(cè)結(jié)果顯示上海地區(qū)重金屬污染較重的元素是Cd、Pb、Cu、Zn，故本試驗(yàn)選擇其中的Zn作為污染離子，使用氯化鋅(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于98.0%)作為污染物進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)步驟

2.3.1 屏障模型的試驗(yàn)裝置制作 根據(jù)一維屏障遷移擴(kuò)散理論，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。該模型由PVC板加工而成，板厚10 mm。模型的內(nèi)部尺寸如圖1所示:長(zhǎng)×寬×高為1 200 mm×300 mm×300 mm。模型由2道水泥土屏障分成3個(gè)倉(cāng)，中間倉(cāng)作為污染源，其長(zhǎng)度為600 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于屏障厚度;兩邊倉(cāng)長(zhǎng)度為300 mm，裝未受污染的土。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

總共制作4個(gè)模型，其屏障參數(shù)如表1。

(1)制作水泥土屏障時(shí)，兩側(cè)用PVC板作為模板，先將一定量的土和水泥事先混合均勻，再加入水泥質(zhì)量5%的水玻璃起到快凝作用，最后按60%的比例加水注入模板中。加水保證最后的拌合物有很好的流動(dòng)性，便于制作較薄的水泥土墻。(2)養(yǎng)護(hù)成型:14天后，將需要裝土的一側(cè)的模板先拆除，用不銹鋼鋼絲網(wǎng)支護(hù)，外側(cè)再用木條支撐(圖2、圖 3)。

圖2 一側(cè)拆模后的屏障

圖3 屏障支護(hù)詳圖

2.3.2 土體密實(shí) 本試驗(yàn)土樣為重塑土，在試驗(yàn)前需先經(jīng)過(guò)風(fēng)干、敲碎、過(guò)篩處理。

過(guò)篩后的土體放入4個(gè)加工成型的模型兩端的空倉(cāng)中，并分層人工密實(shí)，密實(shí)過(guò)程中加少量水以增 加密實(shí)度。

2.3.3 加水固結(jié)土樣 土樣密實(shí)過(guò)后，為了使土樣充分飽和，開(kāi)始2天加30%的水，以后每天加入少量的水，持續(xù)1.5個(gè)月后，打開(kāi)出水孔處的水龍頭排出土中的水和氣，模擬自然固結(jié)的過(guò)程。排水固結(jié)的過(guò)程持續(xù)約2個(gè)星期后，關(guān)閉水龍頭。

2.3.4 配制污染物溶液 土樣基本飽和固結(jié)完畢后，拆除中間倉(cāng)兩側(cè)的模板，為加入污染源溶液作準(zhǔn)備。污染物采用ZnCl2溶液，將去離子水和配制好的溶液加入模型中間倉(cāng)中，鋅離子濃度控制在0.3 mol/L左右。配制ZnCl2溶液過(guò)程中，出現(xiàn)了白色絮狀沉淀。配制好的溶液穩(wěn)定2天后，分別取上清液和帶有沉淀的渾濁液進(jìn)行分析，利用滴定法測(cè)得溶液的準(zhǔn)確鋅離子濃度，同時(shí)對(duì)沉淀進(jìn)行定性分析。其中，沉淀溶于鹽酸，溶解過(guò)程不冒氣泡，確定不是Ca(OH)2和CaCO3;用NaOH去溶解，當(dāng)pH值在6～8之間，有沉淀析出，但當(dāng)pH值大于12時(shí)，沉淀又溶解了。因此，雜質(zhì)可定性分析為Zn(OH)2，因?yàn)閆n(OH)2是兩性的，溶于酸，也溶于堿;同時(shí)水泥土屏障和用來(lái)修補(bǔ)縫隙的水泥漿中都存在堿，會(huì)和ZnCl2反應(yīng)生成Zn(OH)2沉淀。Zn離子濃度見(jiàn)表3。

表3 各模型原始污染溶液的濃度

2.3.5 鉆孔 待土體基本固結(jié)完成后，利用麻花鉆和沖擊鉆鉆頭在飽和土中鉆出取樣孔，以備以后取水樣用。取樣孔離屏障的距離分別為2，6，9，12 cm(圖4)。

圖4 取樣孔位置分布圖

2.3.6 取樣 當(dāng)完成上述所有的試驗(yàn)步驟后，試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作基本完成，可告一段落，下階段就是取樣檢測(cè)。取樣檢測(cè)時(shí)間經(jīng)過(guò)初步計(jì)算，定在4個(gè)月和6個(gè)月后進(jìn)行。

從事先鉆好的孔中用針筒取得水樣，或者用長(zhǎng)柄不銹鋼薄壁勺子取得泥漿樣，然后將樣進(jìn)行離心以獲得清液，接著將清液稀釋?zhuān)倮迷游辗止夤舛确y(cè)定溶液中的Zn離子濃度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)共進(jìn)行了2次取樣。第一次取樣時(shí)間為試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作完成后的4個(gè)月后;第二次取樣時(shí)間為6個(gè)月后。

3.1 第一次取樣結(jié)果

從圖5看出，有些屏障的另一側(cè)出現(xiàn)了較多的Zn離子，其主要原因有:① 為了加快屏障試驗(yàn)的進(jìn)度，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)的時(shí)候，設(shè)計(jì)的屏障水泥摻量較小，厚度較薄，所以金屬離子有可能在較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)屏障;②由于屏障的厚度和水泥摻量都較小，其剛度較小，易變形或出現(xiàn)裂縫，如裂縫出現(xiàn)，其測(cè)試結(jié)果剔除，不能應(yīng)用于遷移參數(shù)的研究。如圖5中H10C5、H10C7、H15C5所測(cè)得的數(shù)據(jù)不能用于計(jì)算遷移參數(shù)。

圖5 第一次樣品體積質(zhì)量統(tǒng)計(jì)圖

從得到的數(shù)據(jù)中也可以看出一些規(guī)律。圖6是厚度同為10 mm、水泥摻量不同的屏障的第一排取樣孔中得到的體積質(zhì)量比較結(jié)果。從中可以看出，隨著水泥摻量的增 大，干凈土中受污染的程度大幅降低，當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，孔中體積質(zhì)量高達(dá)2 472.5 mg/L;當(dāng)水泥摻量增 至7%時(shí)，孔中體積質(zhì)量降為1 718.9 mg/L;水泥摻量為12%甚至更高時(shí)，基本上已經(jīng)檢測(cè)不到了。這說(shuō)明:隨著屏障水泥摻量的提高，屏障的隔離效果會(huì)大幅提升;對(duì)于某一特定的屏障(指某一特定污染源濃度和設(shè)計(jì)使用年限的屏障)，可以找到一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)的水泥摻量值，例如本試驗(yàn)中的12%。

圖7是水泥摻量同為5%、厚度不同的屏障的第一排取樣孔中得到的體積質(zhì)量比較結(jié)果。從中可以看出一個(gè)基本趨勢(shì):隨著厚度的增 大，取樣孔中體積質(zhì)量降低。當(dāng)厚度為10 mm時(shí)，孔中體積質(zhì)量高達(dá)2 472.5 mg/L;當(dāng)厚度增 至20 mm時(shí)，孔中體積質(zhì)量降為9 51.8 mg/L;當(dāng)厚度達(dá)到30 mm時(shí)，體積質(zhì)量為50.5 mg/L。數(shù)據(jù)表明:隨著屏障厚度的增 加，屏障的隔離效果會(huì)有顯著提升;但是其提升效果并不如水泥摻量那么明顯，當(dāng)其厚度增 至原厚度的3倍時(shí)，仍有少量鋅離子擊穿屏障。而當(dāng)水泥摻量增 至原摻量的2倍時(shí)，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)基本上阻隔了所有離子的通過(guò)。

圖8是3個(gè)不同屏障所對(duì)應(yīng)的不同取樣孔中體積質(zhì)量的比較結(jié)果。根據(jù)一維屏障遷移擴(kuò)散理論，在平流的情況下，污染物的遷移主要取決于介質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)D，那么本試驗(yàn)中3個(gè)屏障一邊所用的土樣都是相同的，其擴(kuò)散系數(shù)也相同，所以理論上來(lái)說(shuō)，圖8中所得到的3條曲線應(yīng)該是吻合的。從中可以看到，得到的試驗(yàn)結(jié)果基本符合理論預(yù)期，只有屏障H10C7在最初的2個(gè)點(diǎn)有點(diǎn)偏離，其原因可能有:人工鉆孔時(shí)位置有偏差;稀釋過(guò)后數(shù)據(jù)誤差累積;第一排孔和第二排孔的位置是錯(cuò)開(kāi)的，也有可能第二排孔所對(duì)應(yīng)的屏障位置存在較大裂縫。

圖6 10 mm厚不同水泥摻量的屏障的體積質(zhì)量結(jié)果

圖7 5%水泥摻量不同厚度的屏障體積質(zhì)量結(jié)果

圖8 距屏障不同距離的體積質(zhì)量結(jié)果

3.2 第二次取樣結(jié)果

在第一次取樣的2個(gè)月后，進(jìn)行了第二次取樣，所得的結(jié)果列于圖5。

從圖9中可以看出:第一次取樣后得到的規(guī)律在第二次取樣時(shí)仍然成立。10 mm厚度的屏障第一排孔中的體積質(zhì)量隨著水泥摻量的提高顯著降低(圖10);5%水泥摻量的屏障第一排孔中的體積質(zhì)量隨著屏障厚度的增 大顯著降低(圖11);同一屏障中離屏障越遠(yuǎn)的孔中的體積質(zhì)量越小(圖12)。

圖9 第二次樣品體積質(zhì)量統(tǒng)計(jì)圖

圖10 10 mm厚不同水泥摻量的屏障體積質(zhì)量結(jié)果

圖11 5%水泥摻量不同厚度的屏障體積質(zhì)量結(jié)果

圖12 屏障H15C5不同距離取樣孔的體積質(zhì)量結(jié)果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖13中可以看出，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，每一個(gè)對(duì)應(yīng)的取樣孔中的體積質(zhì)量都有較大幅度的增 長(zhǎng)。其中屏障H10C9和H15C5的體積質(zhì)量增 長(zhǎng)很快，而唯一未被擊穿的是水泥體積質(zhì)量最高的H10C15屏障;而與之相對(duì)的是厚度最大的屏障H30C5已被擊穿。

同時(shí)，根據(jù)已經(jīng)得到的2次取樣數(shù)據(jù)和一維彌散遷移方程，擬合得到不同水泥土屏障的擴(kuò)散系數(shù)，擬合結(jié)果見(jiàn)圖14—圖17。求得的擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)表4。

圖13 2次取樣數(shù)據(jù)比較

圖14 H10C9

圖15 H10C12

4 結(jié)論

(1)水泥摻量和屏障厚度能夠顯著地影響屏障的隔離效果:隨著水泥摻量的增 大，屏障的隔離效果增 強(qiáng);隨著屏障厚度的增 大，屏障的隔離能力也增 大。但是在本試驗(yàn)中，相對(duì)而言，水泥摻量的影響更大，屏障厚度的影響不如水泥摻量的影響顯著。所以，工程中屏障的設(shè)計(jì)，其水泥摻量將是重中之重。

圖16 H20C5

圖17 H30C5

表4 屏障的擴(kuò)散系數(shù)

(2)通過(guò)試驗(yàn)可以看出，距離屏障越遠(yuǎn)，取樣孔中的體積質(zhì)量越小，這一規(guī)律符合遷移理論。由圖13可以看出，3月份時(shí)屏障H15C5被擊穿，但第2、3、4排孔中的體積質(zhì)量很小，說(shuō)明取樣時(shí)該屏障剛被擊穿，而過(guò)去2個(gè)月后，距離屏障12 cm的4號(hào)孔中也檢測(cè)到了很大的Zn離子濃度。這充分說(shuō)明金屬離子在土中的擴(kuò)散很快，土的擴(kuò)散系數(shù)D很大。所以在工程中設(shè)計(jì)屏障時(shí)應(yīng)做到在使用年限內(nèi)保證不被擊穿，否則其污染的危害將會(huì)大大增 加。

(3)在僅僅4個(gè)月的試驗(yàn)時(shí)間里，有部分屏障(H10C5、H10C7、H15C5)已經(jīng)基本失效，其取樣孔中的體積質(zhì)量高達(dá)每升幾克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。其主要原因不是屏障已經(jīng)完全被擊穿，而是由于宏觀裂縫的存在。所以在工程設(shè)計(jì)屏障時(shí)應(yīng)充分考慮到屏障的抗裂性，要重視屏障的力學(xué)計(jì)算(包括抗裂驗(yàn)算、應(yīng)力應(yīng)變等)，以保證其在使用年限內(nèi)不出現(xiàn)裂縫。因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)裂縫，盡管屏障還未達(dá)到使用年限，但也已失效。

(4)由圖13可知，僅相隔2個(gè)月時(shí)間，屏障H30C5的另一側(cè)體積質(zhì)量就已經(jīng)增 大了幾倍，說(shuō)明當(dāng)屏障被擊穿后，其隔離效果已大大降低，所以在設(shè)計(jì)屏障時(shí)應(yīng)充分考慮隔離屏障的使用年限。

(5)根據(jù)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得的擴(kuò)散系數(shù)D非常小，數(shù)量級(jí)為10－6～10－7m2/a，而黏土的擴(kuò)散系數(shù)數(shù)量級(jí)僅為10－2～10－3m2/a，可以說(shuō)明水泥的加入能有效改善屏障的防擴(kuò)散性能。由表4可知，水泥摻量由5%提高至10%，其擴(kuò)散系數(shù)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。充分說(shuō)明水泥摻量對(duì)水泥土屏障的擴(kuò)散系數(shù)D有著決定性影響。

本次模型試驗(yàn)屏障從厚度和水泥摻量對(duì)隔離效果的影響進(jìn)行了初步研究，為下階段的深入研究提供了基礎(chǔ)性資料，下階段研究可從摻入活性物質(zhì)(如膨潤(rùn)土、石灰石等)的屏障遷移參數(shù)，結(jié)合實(shí)際工程，從擴(kuò)散、力學(xué)性能、滲透等幾方面綜合計(jì)算，合理確定屏障的厚度和角度，以便進(jìn)行進(jìn)一步深化研究。

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