詹良通,曾 興,李育超,鐘孝樂,陳云敏
(浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310058)
壓實(shí)黏土是我國填埋場中應(yīng)用較多的一種防滲材料,廣泛應(yīng)用于填埋場襯墊以及封場覆蓋。我國2007年頒布的《生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ113-2007)[1]中推薦的4種襯墊形式中,壓實(shí)黏土不僅作為一種重要的防滲材料與土工膜、GCL組合形成復(fù)合襯墊,而且本身就是一種單獨(dú)的襯墊形式。我國《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》(CJJ 17-2004)[2]中規(guī)定“天然黏土襯里或改性黏土襯里的滲透系數(shù)不應(yīng)大于1.0×10-9m/s,且場底及四壁襯里厚度不應(yīng)小于2m”。
襯墊作為填埋場的水平防滲防污結(jié)構(gòu),其性能的好壞直接關(guān)系到地下水污染控制效果。從目前的文獻(xiàn)報(bào)道中發(fā)現(xiàn)我國部分填埋場底部的地下水及周邊土壤污染超標(biāo)。據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站2001年對各類345座垃圾處理場調(diào)查發(fā)現(xiàn),345座垃圾填埋場中85%存在滲漏。北京阿蘇衛(wèi)填埋場一期工程底部設(shè)有黏土防滲層,1994年開始運(yùn)行,2002年北京市市政管委會調(diào)查:阿蘇衛(wèi)填埋場地下水污染深度超過30 m?,F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國填埋場,特別是南方濕潤氣候區(qū)的填埋場的滲濾液水位普遍高達(dá)10多m,遠(yuǎn)高于規(guī)范規(guī)定的30cm;另外在現(xiàn)場施工中容易存在黏土襯墊的土料不符合要求、壓實(shí)不夠、施工不良等問題,襯墊滲透系數(shù)達(dá)不到規(guī)范要求的1.0×10-9m/s。
污染物在黏土襯墊中運(yùn)移速度慢,設(shè)計(jì)擊穿時(shí)間達(dá)數(shù)十年。普通的室內(nèi)土柱試驗(yàn),無法進(jìn)行如此長歷時(shí)的模擬。國外填埋場有關(guān)污染物運(yùn)移的調(diào)查數(shù)據(jù)最長為20a[3],國內(nèi)調(diào)查數(shù)據(jù)最長為13a[4],均小于襯墊的設(shè)計(jì)擊穿時(shí)間。離心機(jī)具有縮時(shí)縮尺效應(yīng)[5],加速度為ng條件下,原型尺寸Lp對應(yīng)模型尺寸Lm=Lp/n,原型時(shí)間tp對應(yīng)模型時(shí)間tm=tp/n2,如100g重力加速度下,1d試驗(yàn)時(shí)間相當(dāng)于原型27.4a。所以離心機(jī)模擬黏土襯墊中污染物運(yùn)移具有很大優(yōu)勢。
Arulanandan等[6]研究了模擬污染物運(yùn)移的相似問題,推導(dǎo)了污染物運(yùn)移的8個(gè)相似比,說明了污染物離心模擬的條件,并用試驗(yàn)證明了污染物離心模擬的可行性。Hensley等[7]用離心機(jī)分別模擬了常濃度污染源和衰減濃度污染源兩種情況下NaCl在粉土中的長期遷移特性,證明了離心模擬技術(shù)能為數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。Mckinley等[8]進(jìn)行了無吸附性的污染物在飽和高嶺土層中運(yùn)移的離心模擬試驗(yàn),污染源為濃度衰減的,試驗(yàn)后的濃度剖面與理論結(jié)果吻合較好。應(yīng)用離心機(jī)模擬污染物運(yùn)移,前人已經(jīng)做了很多工作,但是以黏土襯墊為對象研究其防污性能的離心試驗(yàn)研究并不多。
本文針對目前填埋場中襯墊可能遭遇的現(xiàn)實(shí)工況,以黏土襯墊為對象,采用高嶺土作為模型土樣,應(yīng)用離心機(jī)模擬氯離子在模型中的一維遷移,研究常濃度源下,高濾液水頭條件和滲透系數(shù)對黏土襯墊的防污性能影響。
本試驗(yàn)研究氯離子在2m厚黏土襯墊中的運(yùn)移特性,探討滲透系數(shù)和水頭對污染物運(yùn)移的影響。模擬污染物采用氯化鈉,氯離子吸附性很小,一般可忽略其吸附性[6,8]。將純凈的NaCl顆粒和去離子水混合配置成0.1 mol/L的氯化鈉水溶液模擬污染物溶液。
離心模型如圖1所示,在制備好的襯墊模型上部加一定高度的NaCl溶液模擬襯墊上部水頭。上機(jī)試驗(yàn),經(jīng)過一定的離心試驗(yàn)時(shí)間后,停機(jī)測試模型高度變化、頂部水頭變化及底部收集水量,取樣分析,檢測氯離子在模型中的分布情況。
圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model
試驗(yàn)所用襯墊模型的實(shí)際厚度為4.2cm,孔隙比e=2.617,水頭高度為20cm,離心加速度為50g,離心時(shí)間為3h52min。
用于制作襯墊模型的土樣為購買的商用高嶺土粉末,為白色細(xì)顆粒粉末。基本土性試驗(yàn)結(jié)果表明本土樣為高液限黏土,具體物理性質(zhì)見表1。
表1 土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical parameters of soil sample
采用自制模型加壓固結(jié)裝置制備模型,得到壓縮指數(shù)Cc=1.276(對應(yīng)壓力范圍50~90 kPa),回彈指數(shù)Ce=0.045。對不同固結(jié)壓力下的土樣取樣做變水頭滲透試驗(yàn),得到白色高嶺土和在不同孔隙比e對應(yīng)的滲透系數(shù)。根據(jù)孔隙比e與滲透系數(shù)之間存在的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系擬合得:e=0.735ln(k)+13。該高嶺土的固結(jié)系數(shù)為0.235mm2/s[9]。
考慮到黏性土的滲透性差,采用壓實(shí)方法制作模型難以達(dá)到很高的飽和度。如在離心機(jī)內(nèi)直接固結(jié)土樣,則模型土樣會出現(xiàn)從上到下逐漸密實(shí)的不均勻性。為了保證襯墊模型充分飽和且模型土樣的均勻性,筆者先制備初始含水率很高的飽和泥漿,然后利用加壓固結(jié)裝置從泥漿狀態(tài)開始逐級加壓固結(jié)至目標(biāo)模型。
先取定量的高嶺土粉末與相應(yīng)量的去離子水加入真空攪拌機(jī)內(nèi)攪拌混合。在攪拌過程中同時(shí)抽真空,真空度為0.1MPa。將泥漿真空攪拌數(shù)小時(shí),形成呈流態(tài)狀的飽和泥漿后,再裝入土樣筒內(nèi),至設(shè)計(jì)高度。
襯墊模型的初始狀態(tài)是高含水量的流態(tài)狀泥漿,飽和度達(dá)99.9%。泥漿強(qiáng)度極低,無法直接加壓,先令其在自然狀態(tài)下排水,待有一定強(qiáng)度后再從低到高逐級加壓固結(jié)。固結(jié)完成后襯墊模型的飽和度達(dá)100%,采用這種方式制備的襯墊模型為充分飽和。模型制備時(shí)施加的最大固結(jié)壓力為50 kPa。
試驗(yàn)中用于裝模型土樣的模型筒如圖2所示。材料為有機(jī)玻璃,筒身為有機(jī)玻璃管,壁厚1cm,內(nèi)徑為9.8cm。模型筒底蓋周圍一圈內(nèi)外安裝有2個(gè)有一定高度的環(huán),內(nèi)側(cè)為溢流環(huán),外側(cè)為積液環(huán)。溢流環(huán)頂部與置于模型筒底部的透水石頂面相平,通過小孔與筒底部相連通。模型筒高度為30cm。底部加濾紙、透水石后,凈內(nèi)高約為28cm。
圖2 模型筒Fig.2 Modeling box
模型制備過程中使用自制反力架對模型進(jìn)行加壓固結(jié)。反力架上裝有壓力表盤,可以控制其施加的壓力,在加壓桿上裝有百分表,量程為5cm,最小讀數(shù)0.01mm,用來監(jiān)測土樣的固結(jié)沉降。
試驗(yàn)中使用的離心機(jī)為浙江大學(xué)ZJU-400g多用途離心機(jī),最大能力400g-t,最大加速度為150g。開機(jī)至50 g和從50 g關(guān)機(jī)至停止,均耗時(shí)8 min。
圖3 ZJU-400 g多功能離心機(jī)Fig.3 ZJU-400g multi-function centrifuge
離心試驗(yàn)前,給模型筒中土樣上部加上設(shè)計(jì)高度的NaCl溶液。用薄膜包裹模型筒上部,減少上部水頭的蒸發(fā)量;用針在薄膜上鉆一個(gè)小孔,防止形成真空。給下部溢流環(huán)加滿去離子水,保持下部常水頭。然后開機(jī)進(jìn)行離心模型試驗(yàn)。離心機(jī)啟動,離心加速度經(jīng)過8 min時(shí)間從0 g增加到50 g,保持50 g穩(wěn)定離心224 min,停機(jī),經(jīng)過8 min離心加速度從50 g變?yōu)? g。試驗(yàn)中將停、開機(jī)的各8 min等效為8 min的穩(wěn)定時(shí)間,故有效的離心時(shí)間為3 h 52 min。收集積液環(huán)中下部的滲透水量。測量上部水頭高度、模型高度,稱量模型質(zhì)量、下部滲透水量。
將離心后的試驗(yàn)土樣取出,沿厚度方向切成11片,記錄各片土樣質(zhì)量,再烘干,稱量土樣質(zhì)量,計(jì)算土樣含水率。將烘干的土樣研磨成粉末,稱取1 g粉末加50 mL去離子水混合,振蕩24min,離心后取1mL上清液,用去離子水稀釋至100mL。再采用離子色譜儀分析稀釋溶液中的氯離子濃度,從而反算出切片土樣內(nèi)的氯離子濃度,獲得模型中的氯離子濃度剖面。
由于離心模型在高滲透壓力作用下發(fā)生固結(jié),固結(jié)排水量對模型中污染物運(yùn)移過程及滲漏量有影響,所以必須首先分析離心試驗(yàn)過程中模型固結(jié)沉降。
離心試驗(yàn)前模型高度4.2cm,孔隙比e為2.617,初始含水量99.53%,水頭高度20cm。經(jīng)過3.87 h的離心時(shí)間,測量結(jié)果表明上部溶液水頭下降1.28cm,折合成入流水量為96.6 mL,而下部溶液收集裝置積液環(huán)收集到的水量為55.1 mL。切片分析時(shí),測量得模型土樣的質(zhì)量、高度和含水率,如表2所示。
表2 模型土樣切片測試得到模型參數(shù)Table 2 Parameters of the sliced soil sample
切片時(shí)測試模型土樣的含水量分布,如圖4所示,從頂部到底部含水量逐漸變小,頂部含水量為97.5%,底部含水量為85.3%,平均含水量為93.37%。這反映了離心過程中隨深度增加,土樣有效應(yīng)力增大,導(dǎo)致了含水率隨深度增加而降低。
圖4 含水量隨深度分布圖Fig.4 Moisture profile of the model
由于土樣在試驗(yàn)前后含水率變化,根據(jù)圖5可得離心試驗(yàn)中由于固結(jié)排出的水量Δmw=14.19 g,推算出模型應(yīng)沉降0.188cm,即模型排水后高度應(yīng)為4.012cm,與實(shí)測值接近。
圖5 各階段模型內(nèi)部應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution in the model in different stages
模型從泥漿狀態(tài)加壓固結(jié)到上機(jī)離心再到離心結(jié)束這個(gè)過程中,應(yīng)力狀態(tài)變化經(jīng)歷4個(gè)階段,如圖5所示,圖中虛線代表先期固結(jié)壓力,實(shí)線代表各階段實(shí)際應(yīng)力。模型制備階段,模型內(nèi)部受均布應(yīng)力,大小為固結(jié)壓力50 kPa。固結(jié)完成后卸載,此時(shí)模型所受的應(yīng)力僅為1 g狀態(tài)下的自重有效應(yīng)力0.2 kPa,模型發(fā)生回彈。上機(jī)試驗(yàn)時(shí),離心加速,滲透力和土自重均被放大為原來的50倍,模型應(yīng)力為三角形分布,底部最大應(yīng)力為131.08 kPa,模型將發(fā)生固結(jié)。離心結(jié)束后,所受應(yīng)力又變?yōu)? g狀態(tài)下的自重有效應(yīng)力0.2 kPa,土樣將發(fā)生回彈。
離心試驗(yàn)階段,模型固結(jié)沉降分成2部分考慮,模型上部1.6cm部分應(yīng)力小于模型土樣的先期最大固結(jié)壓力50 kPa,故該部分土樣發(fā)生再壓縮,這部分壓縮量計(jì)算采用回彈指數(shù),計(jì)算壓縮量為0.056cm;1.6cm以下的模型土樣應(yīng)力大于50 kPa,這部分的土樣由超固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎9探Y(jié)狀態(tài),其壓縮量分兩段計(jì)算:第1段采用回彈指數(shù),計(jì)算壓縮量為0.082cm,第2階段采用壓縮指數(shù),計(jì)算壓縮量為0.236cm。離心固結(jié)階段,共計(jì)算沉降了0.374cm,離心固結(jié)后土樣高為3.826cm。離心結(jié)束后模型回彈,回彈量計(jì)算采用回彈指數(shù),計(jì)算回彈量為0.146cm,離心結(jié)束后的模型高度為3.972cm。計(jì)算得到的離心前后總沉降為0.228cm。
表3 不同方法獲得的離心試驗(yàn)前后沉降比較Table 3 Comparison of model settlements before and after the test obtained by different methods
以上分析說明離心過程模型發(fā)生了固結(jié),實(shí)測沉降與根據(jù)含水量剖面計(jì)算較為接近,固結(jié)沉降計(jì)算的存在一定誤差,可能與參數(shù)選取有關(guān)。
開機(jī)階段離心機(jī)經(jīng)歷加速過程,在停機(jī)階段處于減速過程,在分析土中應(yīng)力時(shí),忽略開機(jī)階段的離心加速度變化。圖6為離心固結(jié)完成時(shí)的土中應(yīng)力分布。離心固結(jié)初始階段,孔隙水壓力與總應(yīng)力相等,土中有效應(yīng)力為0.2 kPa,超孔壓為正三角形分布,大小為固結(jié)完成時(shí)的有效應(yīng)力減去當(dāng)前有效應(yīng)力,底部最大值為130.88 kPa。
圖6 離心狀態(tài)下孔壓和有效應(yīng)力分布Fig.6 Pore pressure and effective stress distribution of soil sample in centrifugal state
根據(jù)雙面排水、初始孔壓為正三角形分布的一維固結(jié)解析解,可以得到離心固結(jié)階段不同時(shí)間的超孔壓消散。圖7給出了各時(shí)刻的超孔壓剖面分布,P0為初始超孔壓,即130.88 kPa,時(shí)間單位為min。
如圖7所示,固結(jié)初期最大超孔壓出現(xiàn)在模型下部,隨著時(shí)間增加孔壓逐漸消散。平均固結(jié)度達(dá)到90%的時(shí)間 t90=27.4 min。
圖7 不同時(shí)間沿深度的超孔壓分布Fig.7 Pore pressure profiles at different times
為了得到模型在離心過程中的通過上下邊界滲流的水量,將固結(jié)產(chǎn)生的超孔壓和上部水頭產(chǎn)生靜水孔壓疊加,得到沿深度的水頭分布,進(jìn)一步得到不同時(shí)間沿深度水力坡降,如圖8所示。
圖8 不同時(shí)間沿模型深度的水力坡降分布Fig.8 Hydraulic gradient profiles at different times
圖8中水力坡降i<0的點(diǎn),發(fā)生向上滲流;水力坡降i>0的點(diǎn),發(fā)生向下滲流。如圖8所示,t<6.8 min時(shí),模型上部水力坡降 i<0,表明存在向上的滲流,隨著時(shí)間增加,發(fā)生向上滲流的區(qū)域越來越小。t≥6.8 min時(shí),沿深度各點(diǎn)的水力坡降均≥0,模型中滲流一致向下。
在模型固結(jié)過程中,頂部邊界的水力坡降從負(fù)的(向上)變?yōu)?,再增大至穩(wěn)定水力坡降,這個(gè)過程中流速是變化的,甚至還存在向上滲流的情況。為了考慮不穩(wěn)定的滲流對污染物運(yùn)移的影響,這里引入“等效時(shí)間”的概念,即將不穩(wěn)定的滲流時(shí)間根據(jù)流量相等的原則等效為穩(wěn)定滲流的時(shí)間。如圖9所示,t=21 min左邊入流量曲線與時(shí)間軸之間的面積,等于右邊入流量曲線與穩(wěn)定入流量線之間的面積。所以等效的運(yùn)移時(shí)間為232-21=211 min,即3.517 h。
圖9 上邊界入滲率隨時(shí)間的變化Fig.9 Rate of inflow through the upper boundary vs.time
應(yīng)用達(dá)西定理,根據(jù)滲透系數(shù)和邊界處不同時(shí)刻的水力梯度,即可求出各時(shí)刻的模型底面的滲漏率。計(jì)算采用根據(jù)上部入滲水量擬合得到的滲透系數(shù)3.2×10-9m/s。圖10中給出了離心試驗(yàn)過程中模型底部的由固結(jié)引起的滲漏率、總的滲漏率隨時(shí)間的變化。固結(jié)引起的滲漏量在初始階段很大,隨著時(shí)間增加逐漸變小,這反映了孔壓消散過程??倽B漏量中另一部分為模型上下水頭差引起的滲流量,當(dāng)固結(jié)結(jié)束后,滲漏量為穩(wěn)定值,大小為30.2 m/a,轉(zhuǎn)化為原型滲漏量為0.604 m/a。謝海建[10]計(jì)算的滲透系數(shù)為1.0×10-9m/s的2 m壓實(shí)黏土襯墊在10 m上覆水頭下,滲漏率為0.189 m/a,考慮到本文襯墊滲透系數(shù)為3.2×10-9m/s,兩者結(jié)果吻合。
圖10 底部滲漏率隨時(shí)間的變化Fig.10 Rate of outflow through the bottom vs.time
離心后切片分析模型孔隙水中氯離子濃度隨深度的分布,實(shí)測結(jié)果如圖11所示,離散點(diǎn)為實(shí)測的濃度值。
圖11 氯離子的擬合濃度曲線Fig.11 Fitted chloridion concentration curve
對于污染物在飽和多孔介質(zhì)的一維豎向運(yùn)移問題,用對流-彌散方程描述擬合
邊界條件:
方程的解[11]為
頂部邊界條件(3),表示上部為指定常濃度,下邊邊界條件(4)表示為半無限空間體,可近似用于有限厚度土層的分析[12-15]。根據(jù)上面的解,可得襯墊模型的擬合濃度曲線(圖11),連續(xù)曲線為理論擬合值。
由于上覆水頭的變化很小,擬合中取平均水頭按常水頭考慮。由于試驗(yàn)中采用低吸附性的NaCl作為目標(biāo)污染物,且試驗(yàn)歷時(shí)較短,理論分析中不考慮阻滯作用[8],取Rd=1.0;Dh為水動力彌散系數(shù),為有效分子擴(kuò)散系數(shù),根據(jù)經(jīng)為彌散度,為擬合參數(shù),vs為滲透速度,根據(jù)模型滲透系數(shù)和水力梯度計(jì)算得到,滲透系數(shù)取根據(jù)上邊界水量分析為3.2×10-9m/s。離心加速度50 g,離心試驗(yàn)時(shí)間按等效后的3.517 h考慮,對應(yīng)的原型時(shí)間366 d。具體計(jì)算參數(shù)如表4所示。
表4 襯墊模型的擬合運(yùn)移參數(shù)Table 4 Fitted movement parameters for liner model
根據(jù)上面試驗(yàn)擬合得到的運(yùn)移參數(shù)Dd和α,對上部水頭10 m,滲透系數(shù)為3.2×10-9m/s的2 m厚黏土襯墊對擊穿時(shí)間進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果如圖12所示。1.53 a時(shí),襯墊底部出流濃度達(dá)1%初始濃度;1.97 a底部出流為初始濃度的10%。如取擊穿濃度為初始濃度的10%時(shí),僅需1.97 a襯墊即被擊穿。若襯墊滲透系數(shù)降低為規(guī)范規(guī)定的1.0×10-9m/s,上覆 10 m 水頭時(shí),擊穿需要2 052.6 d,即5.62 a。所以在高滲濾液水頭作用下填埋場底部滲濾液極易擊穿襯墊,污染地下水。
圖12 氯離子的擊穿時(shí)間模擬Fig.12 Predicted times of chloridion breaking through the liner model
本試驗(yàn)是以氯離子為目標(biāo)污染物,由于Cl-吸附性很小,對于重金屬等強(qiáng)吸附性離子,實(shí)際擊穿時(shí)間應(yīng)更長[18-19]。根據(jù)污染物在黏土中常見的阻滯因子Rd的取值,下面模擬了10 m水頭下,3種吸附性不同的污染物在不同滲透系數(shù)的襯墊中運(yùn)移的擊穿時(shí)間。
對于高吸附性的污染物,擊穿時(shí)間隨著吸附性增加而變長。因此對于重金屬等在黏土中有很強(qiáng)的吸附性的污染物,在預(yù)測襯墊擊穿時(shí)間時(shí)應(yīng)考慮襯墊材料對相應(yīng)污染物的吸附性。
圖13 不同吸附性離子擊穿襯墊的時(shí)間比較Fig.13 Comparison of Chloridion breakthrough timewith different retardation factors
用離心機(jī)模擬高水頭條件下污染物的運(yùn)移時(shí),離心加速導(dǎo)致模型產(chǎn)生高的滲透壓力,如果產(chǎn)生的滲透壓力大于模型的先期固結(jié)壓力時(shí),模型會在離心機(jī)內(nèi)發(fā)生固結(jié)。固結(jié)時(shí)模型中滲流方向及速度隨深度和時(shí)間變化,導(dǎo)致理論模擬分析困難。由于黏土中超孔壓消散慢,固結(jié)時(shí)間長,對污染物運(yùn)移影響大,因此在進(jìn)行類似試驗(yàn)時(shí),應(yīng)該設(shè)法消除模型固結(jié)排水對污染物運(yùn)移的影響。
本文通過等效時(shí)間的方法,對離心試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,根據(jù)擬合的參數(shù)對原型的擊穿時(shí)間進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果表明在10 m水頭作用下滲透系數(shù)3.2×10-9m/s的2 m厚黏土襯墊被氯離子擊穿時(shí)間為1.97a,滲漏量為0.604 m/a,當(dāng)滲透系數(shù)降低為規(guī)范規(guī)定的1.0×10-9m/s時(shí),擊穿時(shí)間為5.62 a。預(yù)測結(jié)果也表明污染物的阻滯因子Rd越大,擊穿時(shí)間越長。采用離心機(jī)模擬污染物在低滲透性模型中的運(yùn)移時(shí),由于污染物運(yùn)移速度顯著增加,試驗(yàn)歷時(shí)縮短,吸附作用沒能充分發(fā)揮,可能導(dǎo)致預(yù)測的擊穿時(shí)間偏大。
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