渗透系数的变异性对压实黏土衬垫性能的影响

压实黏土衬垫是填埋场等环境岩土工程中常用的屏障材料,其厚度和渗透系数是主要的设计参数。考虑渗透系数的变异性,用衬垫底部污染物相对浓度和通量等指标分析了设计参数对衬垫有效性的影响。研究表明,渗透系数的变异性对衬垫性能有很大的影响:当衬垫厚度较小或渗透系数均值较大时,衬垫底部出现高浓度(接近于1)的概率很大,这个浓度区间可能比相对浓度的均值高很多,对周围环境污染有较大的威胁。从非反应性溶质的运移来看,我国规范中对衬垫厚度和渗透系数的规定是合理的。相对于污染物的通量,厚度和渗透系数对衬垫底部相对浓度的影响更为显著,相对浓度更适合作为评价衬垫性能的指标。

模拟渗滤液和压力对压实黏土衬垫渗透性影响的试验研究

衬垫材料防渗性能的好坏是决定填埋场有效性的关键,而渗滤液和受力条件是影响衬垫渗透系数的重要因素。从填埋场衬垫实际渗滤液和受力状态分析出发,选择CaCl2溶液为模拟渗滤液,研究模拟渗滤液和竖向压力对压实黏土衬垫渗透系数的影响。结果表明:当以模拟渗滤液代替水进行试验时,渗透系数增加约2倍;当竖向压力增大2倍时(从200 kPa增至400 kPa),渗透系数减小约1个数量级。双因素方差分析表明:相对于竖向压力,模拟渗滤液对渗透系数的影响较小;在衬垫设计与评价时,考虑竖向应力的影响是非常必要的。

基于线性吸附效应的压实黏土衬垫非饱和渗透特性

压实黏土衬垫(CCL)作为卫生填埋场最主要的防渗措施,其主要组成成分为粘性土体,在阻渗过程中会吸附渗滤液中的污染物质,改变土体孔隙结构,显著影响CCL防渗性能.假定CCL土体对污染物的吸附服从线性模式,土中孔隙均匀分布,土孔隙体积的改变只受污染物吸附效应影响,基于质量和体积关系分析,建立考虑污染物吸附效应的非饱和渗流模型,采用数值方法分析CCL对污染物的吸附效应对其非饱和渗透系数的影响.结果表明,填埋场CCL对污染物的吸附作用可有效降低防渗系统孔隙率,显著提高CCL防渗性能.在考虑吸附效应条件下,吸附分配系数、污染物浓度、初始孔隙率和有效饱和度等参数对CCL非饱和渗透性能有较大影响.

非等温分布条件下压实黏土衬垫中固结与污染物运移耦合模型研究

考虑到污染场地内部产热会使得压实黏土衬垫处于非等温分布状态,建立了非等温分布条件下压实黏土衬垫中固结与污染物运移的耦合模型,并采用有限差分法对该耦合模型进行了求解。将所建耦合模型的计算结果分别与热扩散试验结果和已有理论模型的计算结果展开对比分析,对耦合模型的正确性进行了验证。基于所建耦合模型,通过某一算例分析了温度梯度M、加荷速率Q和Freundlich吸附系数K对污染物运移过程的影响。结果表明:污染物浓度和底部通量会随M绝对值的增大而增大,且一定温度梯度下的底部通量可达不考虑温度梯度时底部通量的2倍以上;Q的增大一方面会减慢污染物运移速率,另一方面会使得运移过程达到稳态时的污染物浓度增大;K的增大会减慢污染物运移过程,与不考虑吸附作用相比,考虑吸附作用可使得运移过程达到稳态时所需时间延长3倍及以上。

具有裂隙的压实黏土衬垫污染物迁移参数研究

压实黏土衬垫中裂隙的存在缩短了渗滤液击穿屏障的时间,减少了衬垫的服役时间。获得污染物沿裂隙迁移的参数,用于预测具有裂隙的压实黏土衬垫被渗滤液击穿的时间,对于防污屏障性能的评价具有重要的意义。采用不同孔隙率的砂模拟压实黏土中的裂隙,通过室内土柱实验分别获得Cl-在裂隙中的分子扩散系数和水动力扩散系数。试验结果表明,当裂隙开度d≥15 mm时,裂隙中Cl-的分子扩散系数与其在纯水中的分子扩散系数基本一致;当d〈15 mm时,分子扩散系数随裂隙宽度成指数下降。裂隙的水动力扩散系数约比分子扩散系数大3个数量级,当裂隙开度d≥10mm时,在不同水力梯度情况下,裂隙的水动力扩散系数基本维持不变,数值上与采用纯砂所获得的水动力弥散系数基本一致;当水力梯度i≥0.2时,水动力弥散系数的变化基本趋于稳定,不再受到裂隙宽度的影响。

赤泥渗滤液对压实黏土衬垫的侵蚀机理研究

针对赤泥渗滤液生态环境污染严重这一热点问题,研究赤泥渗滤液对压实黏土衬垫的侵蚀机理。通过地球化学平衡软件(Visual MINTEQ)模拟赤泥渗滤液中各个元素的赋存形态,同时开展渗透试验、污染物离子浸出测试、剪切试验以及微观结构观测,分析化学腐蚀作用对压实黏土渗透性、抗剪强度和微观结构的影响规律及作用机理。结果表明:赤泥渗滤液中铝主要以Al(OH)_(4)^(-)的形态赋存;赤泥渗滤液作为渗透溶液,压实黏土的渗透系数为4.07×10^(-11)m/s;赤泥渗滤液降低了压实黏土的抗剪强度,且主要体现在黏聚力上,对内摩擦角影响甚微;黏土与渗滤液之间的水化反应产生了一些水化产物和胶结结构,同时水的渗透压力附带土粒填充了土体原有的结构空隙,土体结构得到优化。赤泥渗滤液使压实黏土化学相容性有所提高。

模拟渗滤液作用下压实黏土的力学性质

垃圾填埋场中渗滤液的作用可能对压实黏土衬垫及地基土的力学性质产生一定的影响,但目前研究成果存在矛盾之处。以CaCl2溶液和苯酚溶液作为渗滤液中无机和有机污染物的代表,对添加10%钠基膨润土的压实黏土进行力学性质的试验研究。结果表明,(1)两种模拟渗滤液的作用使土的压缩性增强,抗剪强度降低。(2)苯酚对压实黏土力学性质的影响更为显著,不排水强度约为自来水和0.05mol·L-1CaCl2溶液的55%。(3)土样初始孔隙比相同时,溶液作用下扩散双电层变薄造成孔隙变大,可能是产生这种现象的主要原因。(4)模拟渗滤液的作用对压实黏土衬垫及地基土具有不利的影响。

废旧轮胎胶粉-黏土混合土的击实性能

废旧轮胎橡胶颗粒用于填埋场衬垫材料改性,有望提高衬垫系统的有效性。击实性能是衬垫设计和施工的基础,但目前缺乏针对性研究,击实机理不够明确。开展废旧轮胎胶粉-黏土混合土的击实试验研究,探讨橡胶颗粒粒径、掺入比等因素对混合土击实性能的影响规律和压实机制。研究表明,当橡胶掺入比从0增大到25%时,胶粉-高岭土的最优含水率增大,胶粉-红黏土的最优含水率减小,变化在2.4%范围内;混合土的最大干密度从1.65 g·cm-3减小至约1.40 g·cm-3;试验选用的橡胶颗粒粒径对最优含水率和最大干密度差异不显著。在击实过程中橡胶颗粒回弹和橡胶颗粒比表面积变化两种效应下,最优含水率随橡胶掺入比的增加表现出减小(大颗粒时)、不变和增加(小颗粒时)的变化规律,并与基质土的性质密切相关。给出了初步设计时改性黏土含水率和干密度的控制方法,能够基本满足规范中对压实黏土的含水率和压实度的要求,且其渗透系数小于1.0×10-7cm·s-1。

温度对填埋场黏土衬垫渗透性的影响

为了解填埋场渗沥液击穿防污屏障的问题,开展了温度对压实黏土渗透特性的研究.试验结果表明:随着温度的增加,压实黏土渗透系数增大,起始水力梯度减小;水分子动能增大,促进水分子流动,使渗透液黏度下降;渗透液的介电常数减小,形成的双电层变薄,即颗粒与水的相互作用变弱,Zeta电位的绝对值减小,黏土的固有渗透率增加.考虑温度对渗透液黏度和固有渗透率的影响,建立了温度与非达西渗透参数关系的数学模型,为研发高性能、长寿命防污屏障提供理论指导.

膨润土-红黏土混合土对NaCl溶液的渗透试验研究

针对不同质量配比的膨润土-红黏土混合土压实样,开展不同浓度的NaCl溶液渗透试验;基于扩散双电层理论和土颗粒微观结构,分析溶液浓度对不同质量配比混合土渗透系数的影响机理;根据试验结果,建立混合土渗透系数与膨润土掺量(质量分数)的函数关系式。研究结果表明:混合土的渗透系数随着膨润土掺量的增加而降低,膨润土的加入明显提高了混合土的防渗和化学阻滞能力;随着溶液浓度提高,红黏土的絮凝程度增加,渗透系数降低;掺入质量分数为20%的膨润土后,随着溶液浓度提高,混合土扩散双电层被压缩,渗透系数相应增大。

考虑非等温环境下污染物在黏土中的运移解析模型

利用广义积分变换法推导了非等温条件下污染物在压实黏土衬垫中的运移解析解。所提出的解析解考虑了分子扩散、对流、吸附和热扩散的耦合效应,并考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化。通过与热扩散试验结果、已有的解析解和基于COMSOL软件的数值模型的对比,验证了所提出的解析解。利用经过验证的解析解,研究了非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数3个参数随温度的变化对甲苯在压实黏土衬垫系统中迁移的影响。结果表明,非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数随温度的变化均对甲苯在压实黏土衬垫中迁移有着显著的影响。不考虑非等温环境的影响将极大低估污染物的溢出量和污染物的击穿时间。既有解析解忽略压实黏土的渗透系数和有效扩散系数随温度的变化会极大低估甲苯的流出速率,而忽略压实黏土分布系数随温度的变化会极大高估甲苯击穿衬垫系统的时间和达到稳态的时间。所提出的解析解能够考虑热扩散作用,同时考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化,较既有解析解更贴近工程实际,能够为压实黏土衬垫系统的设计和服役性能评价提供指导和借鉴。

填埋场成层衬垫污染物运移参数等效模型

为了高效评价填埋场成层衬垫的防污性能,提出基于时间矩卷积的污染物运移参数等效分析模型.给出多层衬垫等效渗流速度和扩散系数表达式;采用土柱实验数据验证模型的合理性和可靠性;基于衬垫系统底部相对浓度、瞬时通量及累计通量等对填埋场土工膜(GM)+压实黏土衬垫(CCL)+天然衰减层(AL)及GM+钠基膨润土防水毯(GCL)+AL不同复合衬垫进行等效计算.结果表明,衬垫底部相对浓度更适合等效计算.随设计水头与AL厚度增加,GCL复合衬垫的防污性能较好.基于Cl-击穿时间100 a标准,当水头为15 m时,与采用CCL相比,采用GCL复合衬垫可以使总厚度减少0.45 m.土工膜防污能力随水头增加而增强,土工膜等效的CCL厚度随服役年限呈对数线性增大.

填埋场污染物在有限厚度土层中一维对流–扩散–吸附解析解

为避免垃圾填埋场对地下水的污染,衬垫系统的截污性能至关重要。针对卫生垃圾填埋场衬垫底部设有地下水导排层的工程要求,建立了污染物在有限厚度土层中一维对流–扩散–吸附解析模型并求解,其中模型底部采用Cauchy边界模拟渗滤液污染物透过衬垫向零浓度环境传质。算例结果表明,解析解与商用软件数值解所得浓度场分布完全吻合;参数分析表明,吸附、扩散和对流参数对击穿曲线均有较大影响,为延长击穿时间,应尽可能采用吸附性能好的土层并严格控制衬垫上的水头高度。

污染物通过GCL/AL防渗层的对流-弥散解析解

为了研究GCL/AL(attenuation layer)防渗层的防污性能及其与传统压实黏土衬垫(CCL)之间的等效性,建立了污染物在GCL/AL防渗层的一维对流-弥散模型.模型引入了GCL和下伏土体保护层(AL)之间的浓度和通量连续条件,考虑了污染物在GCL下伏土层AL中的背景浓度,并在假设污染物在GCL中的运移为稳态过程的基础上得到了无量纲形式的解析解.渗滤液水头从0.3m增加到10m可使苯击穿时间减少2.7倍.GCL渗透系数减少一个量级可使苯击穿时间增加7倍.增加AL厚度达到的防污效果不如减少其渗透系数或减少GCL渗透系数有效.标准的75cmCCL可采用GCL和1.0～4m厚的AL层代替.解析解可用于填埋场GCL/AL防渗层的初步设计和等效性评价、污染土修复问题的初步设计,并可用于拟合试验数据等.