石灰土作為垃圾填埋場底部防滲襯墊的滲透試驗研究

王麗娟 趙思同

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

我國的城市垃圾產量與日俱增，居民年產垃圾近10億噸，生活垃圾產量還在以每年5%-8%的速度快速增長。我國生活垃圾的處理方式目前仍以填埋、焚燒、堆肥為主，而填埋作為主要的處理方式占處理總量的64%。垃圾填埋的處理方式具有成本低、技術成熟等優點，但垃圾滲濾液成分復雜、污染濃度較高，會造成地下水污染。因此，垃圾填埋場底部防滲墊層選擇的合理性成為降低環境污染的關鍵技術手段。

對于天然黏土，加入改性材料可以改善黏土的工程性質，國內外已有眾多研究證明了改性黏土在垃圾填埋防滲襯墊方面的使用是安全可靠的。通過滲透試驗測定改性土的滲透系數，是衡量改性土作為防滲墊層可行性的有效手段。黃土地區以粉土和粉質黏土居多，天然黏土匱乏，如何做到因地制宜，將分布廣泛的黃土材料用作防滲墊層，同時實現安全有效地阻隔垃圾滲濾液和降低工程造價，成為一個值得研究的問題。

1 垃圾填埋場防滲系統規范要求

我國要求投入生產運營的垃圾填埋場須在其四周邊坡以及底部設置滿足防滲要求的結構層，目的是將垃圾滲濾液密封處理，以免污染周圍的地表水和地下水，也防止周圍地下水反滲入填埋場。結構層的滲透系數必須小于1×10-7cm/s[1]。

2 重塑黃土試樣的物性特征

影響黃土滲透特性的因素主要是土的孔隙率與含水率。黃土的孔隙率會隨壓實度的增加而降低，因此通過擊實試驗研究黃土的含水率與干密度之間的關系，是研究黃土滲透特性的前提和基礎。本文選用蘭州黃土作為試驗材料，在將礫石和雜質剔除之后，通過風干和手工研磨將土樣細磨。本文主要完成了土的粒度特性指標試驗、界限含水率試驗、擊實試驗測定最優含水率和最大干密度試驗，得到該重塑黃土的基本物理性質見表1。根據表1結果可認定該土樣為粉土。

表1 黃土的粒度特性指標試驗及界限含水率試驗結果

篩分出粒徑小于2mm的土樣進行烘干，選用內徑51mm、高度40mm的環刀進行自然密度試驗，黃土的自然密度試驗結果見表2。利用烘干法測定黃土試樣的天然含水率，試驗結果見表3。

表2 黃土的自然密度試驗結果

表3 黃土含水率試驗結果

本文采用輕型擊實儀完成擊實試驗。先將土樣分成三層，每層擊實數為27下，根據公式（1）[2]計算試樣的最優含水率約為13.4%。然后在此基礎上分別制作五個含水率依次相差2%的試樣，將制作好的試樣置于密封的塑料袋中48小時后開始進行擊實試驗，結果見圖1。

圖1 黃土干密度和含水率的關系曲線

式中：

Wop—試樣的最優含水率，%；

Wp—土樣塑限，%；

IP—土樣塑性指數。

根據圖1得知，土樣的最優含水率為15.3%，最大干密度為1.78g/cm3。在最優含水率條件下配制的土樣，其壓實效果最好。

3 石灰改性黃土的物性特征

石灰中含有的氧化鈣和氧化鎂會與黃土發生化學反應。在摻入量相同的情況下，石灰的細度越大，其與土會發生更加充分的化學反應，從而得到的改性黃土的性質也越好。生石灰在消解過程中會釋放大量熱能，消解后呈膠凝狀特性，活性和溶解度都較消解前有所提高，這些膠凝狀物質能進一步與土中的膠結物質發生反應。因此，利用生石灰改性黃土的效果要優于熟石灰。石灰的加入會使得黃土拌合更加容易和均勻，可有效降低黃土的濕陷性和脹縮性。石灰中的化學物質與黃土發生一系列反應，阻隔了黃土中輸送水分的毛細孔，不僅可以提高黃土的承載能力，還能改善黃土的物理力學性質。

按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》的要求制作石灰改性黃土的擊實試樣。將通過2mm篩的改性土放入105℃的烘箱中烘干，將石灰摻入比例不同的改性黃土攪拌均勻，參考擊實試驗得到試樣的最優含水率15.3%，每種不同的石灰摻入比例均配制五個含水率依次變化的土樣進行擊實試驗，改性黃土的最大干密度和最優含水率的關系曲線見圖2。

圖2 不同石灰摻入比的改性黃土的含水率與干密度的關系曲線

由圖2可知，在摻入石灰后，改性黃土的最大干密度較黃土明顯減小，最優含水率有所增大。最大干密度的減小是因為石灰的比重較黃土小；最優含水率逐漸增大是因為黃土內的化學物質Al2O3和SiO2在與生石灰反應時需要消耗試樣內的水分。

試驗發現，在將黃土和石灰均勻攪拌后，應盡量減少放置時間并及時擊實，否則會引起干密度的快速降低，使得強度降低。

4 不同圍壓下石灰改性黃土的滲透試驗

在對傳統三軸儀改造的基礎上，采用反壓飽和的方法對不同石灰摻入比條件下的石灰改性黃土進行滲透試驗。

4.1 試驗設備的改進

常規滲透儀測試滲透系數時，試樣與側壁之間存在縫隙，部分水從側壁滲漏會影響試驗結果，且測試時間長，試驗過程中存在試樣結構被擾動造成應力釋放等問題[3]。

本試驗采用的常規三軸儀是南京土壤儀器廠TSZ-6A型應變控制式三軸儀。儀器安裝完成后開始施加圍壓，使得水由于壓力差的存在而通過試樣滲透流出。在流量處于穩定狀態后進行滲透試驗，每個試樣分別施加逐級變化的圍壓。本試驗對常規三軸儀進行了適當改進，較常規滲透儀能更好地模擬土的受力狀態，采用增大滲透壓的方式也可以加快試驗的進程。儀器上由兩個嵌套的有機玻璃管組合成雙層管，其中內管下端與試樣相連，利用內管上的刻度變化計算排水量，外管為可承受反壓力的透明有機玻璃管，為了在反壓力存在的情況下依然可以清晰讀出水量的滲流情況，內外管的水面采用有色機油進行隔離。圖3為裝置圖。

圖3 改進的常規三軸儀測定滲透系數的裝置圖

4.2 試驗步驟

為了使試樣達到飽和狀態，保證土樣中的氣體不會隨著孔隙水壓力的變化而變化，需要利用反壓飽和法使試樣處于飽和狀態。向試樣逐級施壓，直至孔隙水壓力的增量值與圍壓的增量值之比大于0.98時，則認為該試樣處于飽和狀態[4]。圍壓和滲透反壓力的每級增壓量均為100kPa，待試樣內孔隙水壓力消散后，對試樣底部施加滲透壓力進行滲透試驗。

4.3 結果分析

根據公式（2）計算結果作為該級圍壓下土樣滲透系數的終值。

式中：kt—水溫為t℃時土樣的滲透系數，cm/s；

a—體變管截面積，cm2；

?t—時間間隔t2-t1，s；

H—試樣高度，cm；

A—試樣面積，cm2；

h1、h2—t1、t2時體變管水面與排水管水面高度差，cm；

2.3—In和log的換算系數。

水溫為20℃時試樣的滲透系數見公式（3）。

式中：k20、kt—滲流水溫為20℃和t℃時的滲透系數，cm/s；

Q—滲流水量，cm3；

t—滲流時間，s；

h—滲透水頭，cm；

L—滲流流經高度，cm；

η20、ηt—水溫為20℃和t℃時水的動力粘滯系數，cm2/s；在水的動力粘滯系數表中可以查到的比值。

按照擊實試驗測得的不同石灰摻入比的石灰改性黃土的試驗結果，制備試樣進行滲透試驗，結果見表4。

表4 不同石灰摻入比條件下的石灰改性黃土滲透系數試驗結果（cm/s）

根據滲透試驗結果可知，黃土中摻入石灰后，其滲透系數明顯降低，這主要是由于石灰中的Fe2+、Mg2+、Ca2+等離子在與土中膠凝狀物質發生反應時有效減少了滲流路徑。在石灰摻入比為5%時，不同圍壓下的改性黃土滲透系數都較石灰摻入比為3%時有數量級的降低。但是隨著石灰摻入比例的再增大，滲透系數的減小速率變緩。當石灰的摻入比超過20%后，改性土的滲透系數均滿足垃圾填埋場的防滲要求。若再增大石灰摻入量，其滲透系數的降低幅度已經不明顯，若進一步增大石灰摻入量，會造成原材料的浪費以及工程造價的增加。

5 結論

本文通過對比分析石灰改性黃土的最大干密度、含水率以及滲透特性隨石灰摻入比的變化規律，探究了石灰土作為黃土地區垃圾填埋場底部防滲墊層的合理性，主要得到以下結論：

1）石灰改性黃土的最大干密度隨著石灰摻入比的增加而減小，而最優含水率隨石灰摻入比的增加而增大。

2）隨著石灰摻入比例的增加，石灰改性黃土的滲透系數逐漸減小。當石灰摻入比達到20%，石灰改性黃土的滲透系數可滿足垃圾填埋場底部防滲墊層的規范要求。