聚丙烯酰胺对毛细阻滞覆盖层的阻渗性能影响研究

采用在粗粒土体表面喷洒聚丙酰胺溶液的方式构建阻渗层,来对毛细阻滞覆盖层结构进行改进,并通过室内土柱入渗试验对改进后毛细阻滞覆盖层土体的水分入渗规律阻渗性能进行分析,发现改进后覆盖层土体的储水能力提高,击穿时间得到延长,并有效减少了水分击穿后,细粒层土体的水分漏失速率,土体的防渗性能显著提高。

半湿润地区毛细阻滞覆盖层长期防渗性能评价与渗漏气象机制分析

为评价毛细阻滞覆盖层在我国西北半湿润地区的长期防渗性能,揭示该地易渗气候段及其渗漏引发气象机制;收集分析西北半湿润地区(西安)50年的气候特征,基于数值模拟耦合地区气候条件开展土质覆盖层长期防渗性能分析。结果表明:(1)西北半湿润地区(西安)4-11月降雨多气温高,12月-次年4月降雨少气温低;雨热同期有利于土质覆盖层水分腾发释放。(2)降雨量在7、9月达峰值,蒸散量在6月达峰值。7-11月降雨量大、气温逐渐降低,植被逐渐凋零腾发作用减弱,水分释放强度缓慢,导致覆盖层含水量增加易引发渗漏。11月-次年3月降水稀少,防渗效果好。(3)在该地土质覆盖层防渗设计中,11月-次年3月为非控制性气候段。7-11月为易渗气候段,建议在防渗设计和既有填埋场运-管-维期水位控制、边坡稳定监测工作中作重点校核与管控。

西北非湿润区毛细阻滞覆盖层防渗性能验证与长期服役高危易渗气象段分析

为研究西北非湿润区气候特征和毛细阻滞覆盖层高危易渗气象段,掌握该地自然气候条件下引发毛细阻滞覆盖层渗漏的气象机制,总结分析了西北干旱、半干旱气候区50年的降水、蒸腾蒸发和温度等气候特征。在西北某填埋场开展了毛细阻滞覆盖层足尺极端降水试验,验证了覆盖层在极端偶然降水事件下的防渗储水性能。耦合气候条件开展了土质覆盖层长期防渗性能分析,鉴别筛选出了西北干旱、半干旱气候区诱发渗漏的高危气象段,揭示了高危易渗气候段引发渗漏的气象机制。结果表明:(1)西北干旱、半干旱气候区4-11月降水多,12月-次年4月降水少,冬干夏湿,雨-热同期,利于土质覆盖层水分的存储-释放。(2)西北非湿润区极端偶然连续强降水量阈值在56.1~118.5 mm之间,现场覆盖层极端降水试验累计降水量194.85 mm,土层存储量148.22 mm。在该区极端偶然连续强降水条件下毛细阻滞覆盖层能满足防渗标准。(3)长期服役中西北干旱和半干旱气候区,8-11月是毛细阻滞覆盖层的高危易渗气象段,11-12月次之,1-7月渗漏可能最低。该气候区土质覆盖层防渗设计和填埋场运营-管理-维护工作中,8-11月为关键气象段,建议进行重点校核与管控。

黄土-碎石覆盖层毛细阻滞效应及设计厚度分析

为了研究我国西北地区以黄土和碎石构成的毛细阻滞覆盖层适用性,验证黄土-碎石间的毛细阻滞效应以及覆盖层初步设计厚度,在西安江村沟垃圾填埋场开展黄土-碎石毛细阻滞覆盖层极端降雨实验.实测黄土-碎石毛细阻滞覆盖层的储水能力,验证了黄土-碎石间的毛细阻滞作用,分析西安地区半湿润气候条件下毛细阻滞覆盖层的初步设计厚度.研究结果表明：在黄土层同为1.0m厚的条件下,毛细阻滞型覆盖层与单一型覆盖层相比,总储水量提高了24.9%？31.8%,有效储水量提高了38.2%-48.9%.现场实测黄土-碎石毛细阻滞覆盖层储水量为116.92mm,而按脱湿和吸湿曲线计算理论储水量分别为137.68和88.30mm.与本次降雨实测的存储量相比,分别偏大17.76%和偏小24.42%.对于黏性黄土分别下衬碎石、粗砂和中砂构建的毛细阻滞覆盖层：若采用黄土脱湿曲线计算初步设计厚度为1.06-1.12m,而采用吸湿曲线初步设计厚度为1.22-1.28m.在黄土毛细阻滞覆盖层厚度设计中,若采用脱湿曲线计算偏于危险,而采用吸湿曲线则偏于安全.

含非饱和导排层的毛细阻滞型覆盖层性能模型试验研究

通过自制试验装置研究了强降雨条件下含非饱和导排层的毛细阻滞型覆盖层性能,试验装置包括2 m×1 m×1.2 m的模型槽、降雨模拟器与测量系统等。毛细阻滞型覆盖层模型中细粒土、非饱和导排层和粗粒土分别采用粉土、砂和碎石,模型坡度为1V∶3H,共进行3组试验。所模拟的强降雨强度为65～76 mm/h,利用摄像和张力计监测了降雨入渗及侧向导排过程,并分别监测了坡面径流量、各土层的侧向导排量及底部渗漏量随时间变化。在强降雨条件下,试验Ⅰ中坡面径流量占降雨量的69.4%,入渗的水量中大部分存储在上层粉土中,砂层的侧向导排量为降雨量的3.5%,碎石层底部的渗漏量只有降雨量的2.9%。试验Ⅱ和试验Ⅲ中通过添加膨润土降低粉土层渗透性有效减少了降雨入渗量,与试验Ⅰ相比,试验Ⅱ和试验Ⅲ中非饱和砂层侧向排水出现时间延后,试验Ⅱ中通过下卧碎石层渗漏量进一步减少至0.8%,试验Ⅲ中无渗漏。试验结果表明:通过控制上层土降雨入渗量及发挥毛细阻滞及侧向导排综合作用,可有效控制该覆盖层在强降雨条件下渗漏量,使毛细阻滞型覆盖层在湿润气候区应用成为可能。

垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶工作机理及性能分析

毛细阻滞型腾发封顶目前主要用于国外干旱、半干旱地区,在湿润气候区的研究很少。在杭州市露天构筑毛细阻滞型腾发封顶模型,量测18个月中降水、蒸发和植被蒸腾下土柱透水量、地表径流量和土体含水率,得到该封顶在不同季节的响应,分析了毛细阻滞作用机理及其性能,使用水量平衡模型(HELP)和土壤–植被–大气相互作用模型(VADOSE/W)对试验过程中的水量平衡进行模拟,探讨了数值模拟存在的问题。试验过程中,共降水2361 mm,产生地表径流88.4 mm,透水67.4 mm,其他降水均在土层吸持与腾发交替作用下最终返回大气,由于试验地区多雨期与植被腾发旺盛期重合,毛细阻滞型腾发封顶在该地区具有良好性能。由于毛细阻滞作用,使得上部黏土中存储了更多水分用于后期腾发,从而减少了透水量,当毛细阻滞界面附近土体的体积含水率超过临界含水率时毛细阻滞界面被击穿,击穿是连续强降雨作用的结果。HELP和VADOSE/W均高估了地表径流和透水量、低估了腾发量,因为VADOSE/W能考虑毛细阻滞的机理,所以大致上VADOSE/W的模拟结果比HELP更合理和准确。

垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶模型试验

作为替代型垃圾填埋场封顶,毛细阻滞型腾发封顶具有诸多优点,但目前主要在欧美干旱、半干旱地区使用,对其在湿润气候区工作性能的研究较少。选用低塑性粉质黏土和砾砂作为填料,在杭州市一露天环境构筑模型土柱并培育植被,量测自然降雨、蒸发和植被蒸腾作用下土柱透水量、地表径流量和各深度含水率变化,探讨毛细阻滞型腾发封顶的工作机制。试验历时15个月,得到该封顶在降雨高峰期、晴热高温期、台风影响期和冬季阴冷期等时段的响应。试验结果表明,降雨和腾发作用下粉质黏土含水率变化较大,底部砾砂中也有较小幅度干湿循环,腾发可在整个封顶土层范围内起作用;当粉质黏土底部达到饱和,砾砂含水率接近4%时底部有水透出,此时该封顶暂时失效,后随水汽运移毛细阻滞界面功能恢复,该封顶仍能正常工作;试验过程中,降雨总量为1 782.6 mm,共产生地表径流为53.08 mm,透水为19.64 mm,其他降水均在土层吸持与腾发交替作用下最终返回大气,在试验期间该封顶能有效地阻止降雨入渗。

降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响研究

毛细阻滞覆盖层的防渗性能对于控制渗滤液和减轻垃圾填埋场周边环境的污染具有重要意义,因此得到广泛研究。前人在研究中多采用恒定降雨强度来模拟降雨气象条件,而对降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响关注较少。因此,采用自主研发的土柱降雨入渗试验系统,分别对短时强降雨和长时弱降雨两种降雨情况下,降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响开展了研究,并揭示了最不利降雨形式。同时,采用SEEP/W软件对各试验工况进行数值模拟,以使模拟结果与试验结果能够相互印证。研究结果表明:试验结果与模拟结果基本一致,最大误差不大于3%;在短时强降雨情况下,降雨形式仅对覆盖层上部的体积含水率和孔隙水压力有较大影响;而在长时弱降雨条件下,降雨形式对整个覆盖层的体积含水率和孔隙水压力均有显著影响;降雨形式对覆盖层突破时间及渗漏量均有影响,前锋型降雨的突破时间最短,产生的渗漏量最大,后锋型降雨的突破时间最长,产生的渗漏量最小;前锋型降雨更易造成覆盖层突破失效而产生较大的渗漏量,为最不利降雨形式。该研究结果可为毛细阻滞覆盖层设计提供参考依据。

不同毛细阻滞覆盖层处治膨胀土边坡的渗流及稳定性研究

为探究采用不同结构毛细阻滞覆盖层处治的膨胀土边坡的防渗能力,基于非饱和渗流理论并运用Geo Studio有限元软件,开展持续大雨作用下“细-粗”型(Ⅰ型)、“细-导排层-粗”型(Ⅱ型)、“细-粗-细”型(Ⅲ型)和“细-粗-细-粗”型(Ⅳ型)这4种毛细阻滞覆盖层(厚度均为5 m)处治膨胀土边坡的渗流及稳定性数值分析,研究不同降雨历时下各覆盖层内部体积含水率的分布特性、膨胀土边坡的体积含水率变化规律及其对边坡安全系数的影响。研究结果表明:在持续大雨作用下,不同结构覆盖层均能在一定程度上减少降雨渗入边坡内部膨胀土;雨水入渗突破不同结构覆盖层所需的时间不同,覆盖层按防渗性能由强至弱顺序排列依次为Ⅱ型、Ⅳ型、Ⅰ型和Ⅲ型;未经处治边坡的安全系数急剧降低,易发生破坏;4种覆盖层处治边坡的安全系数均在降雨前期稍降低;在长期降雨条件下,Ⅰ型和Ⅲ型覆盖层处治边坡的安全系数降幅大,而Ⅱ型和Ⅳ型覆盖层处治边坡的安全系数降幅较小,且各方案处治的边坡稳定性较好。因此,建议在实际工程采用Ⅱ型和Ⅳ型毛细阻滞覆盖层处治膨胀土边坡。

基于主动加热光纤法的毛细阻滞入渗模型试验研究

毛细阻滞效应是多层、不同粒径非饱和土入渗过程中的一个自然现象。为了探究多层土水分入渗的毛细阻滞过程,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(AHFO法)对多层土的水分迁移进行试验,并结合频域反射法(FDR法)和直接观测法作为验证。试验结果表明:相较于FDR法和直接观测法,AHFO法对降雨入渗所产生的毛细阻滞现象具有较好的观测效果,可观测出水分运移的更多细节;运用FDR法,对AHFO传感器进行原位标定,曲线拟合精度R2均大于0.93,具有较高的体积含水率监测准确度;毛细阻滞层对降雨入渗具有明显的阻滞效应,即存储屏障上部入渗和减少水分向下部水体渗出。相关研究结论为毛细阻滞现象研究以及土壤水分场监测提供了一种新的监测方法。

黄土–碎石毛细阻滞覆盖层储水能力实测与分析

中国西北地区气候较干旱,黄土分布广泛。就地取材采用当地的黄土作垃圾填埋场封场土质覆盖层具有技术可行性和良好的经济性。在西安江村沟垃圾填埋场建造了国内首个20m×30m大尺寸黄土–碎石毛细阻滞覆盖层现场试验基地,在基地开展了极端降雨试验。水量分配测试结果表明:总降雨量214.8 mm;坡面径流1.7 mm,占总降雨量的0.8%;土层存储(含蒸发)199.57 mm,占总降雨量的92.9%;渗漏13.53 mm,占降雨量的6.3%。基质吸力与水份运移规律分析结果表明:持续降雨条件下毛细阻滞覆盖层(900 mm)细粒土中表层土(15 cm深度以上)和底层土(85cm深度以下)的孔压(或体积含水率)均较高;底层土孔压(或体积含水率)较高是由于碎石–黄土界面间毛细阻滞效应对水份下渗的阻滞作用,这是有别于单一土层降雨入渗水份运移的显著特征。储水能力评估结果表明:极端降雨试验实测黄土–碎石毛细阻滞覆盖层有效储水量为251.95 mm。采用室内吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值Sfac为218.75 mm,实测值较理论值大15.18%,结果偏于安全。采用现场吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值比理论值小9.47%,偏于危险。防渗设计中建议采用室内吸湿土水特征曲线。

湿润地区毛细阻滞层路基防渗作用的数值分析

针对路基湿化过程中抗剪强度降低问题,基于非饱和土力学渗流理论,提出了采用毛细阻滞层降低路基沉降的方法。采用数值模拟方法,对比分析了在湿润气候的极端降雨条件下,传统路基和含有毛细阻滞层的路基强度、变形和安全系数的变化。结果表明在湿润气候下,毛细阻滞层仍能有效地减少降雨对路基内孔隙水压力分布的影响,从而减少路面变形,提高路基的稳定性。

毛细阻滞覆盖层边坡防护技术研究综述

利用毛细阻滞覆盖层(CB)对边坡进行防护是减小降雨诱发滑坡危害的有效手段之一。毛细阻滞覆盖层不仅在边坡防渗方面有较好的表现,还能满足生态护坡的需要。针对毛细阻滞覆盖层的研究现状,分析了不同因素对其防渗效果的影响,包括几何构造、内部的渗流以及细/粗粒层材料的组成,指出了毛细阻滞覆盖层边坡防护技术的优势与不足,并进一步讨论了提高毛细阻滞覆层防护性能的改进措施和途径。研究表明:CB技术是未来边坡防护与生态护坡的一个重要发展方向。

含非饱和导排层的毛细阻滞覆盖层长期性能分析

为了验证含非饱和导排层(UDL)毛细阻滞覆盖层的防渗性能,采用模型试验在中国东部湿润气候区自然气候条件下进行2年的长期监测.覆盖层模型尺寸为2.0 m×1.0 m×0.55 m(长×宽×厚),坡度为18.4°(坡率为1∶3).结构剖面从上至下依次为植被生长层(15 cm)、粉土层(20 cm)、砂层(10 cm)和碎石层(10 cm).长期监测试验结果表明:监测期累计降雨量为3 448.4 mm;渗漏量为2.62 mm,显著低于北美湿润气候区土质覆盖层的防渗标准.非饱和导排砂层(UDL)侧向导排量为581.77 mm,占降雨量的16.87%,导排作用明显.在一个典型的水文年中,4～11月自然降雨、气温和腾发作用三者高峰期重合;雨热同期的有利气候条件以及UDL层的侧向导排作用,有效控制了渗漏量. 6～9月的连续强降雨为覆盖层易发生渗漏的极端气象段,是防渗设计的控制性气象条件.冬季12月至次年3月气温低但降雨量较少,增设的非饱和砂层导排作用明显;避免了因腾发作用弱不能及时蒸散水分而发生渗漏的问题.含非饱和导排层(UDL)的毛细阻滞覆盖层由粉土、砂和碎石等非胀缩性土构成;湿胀干缩和开裂现象不明显.

毛细阻滞型路基湿化病害中吸力分布规律

路基中的水分运移是引起公路湿化病害(工后沉降、差异沉降以及承载特性变化)的主要原因。然而,现有路基处理加固方式均属于内在处理,不能从本质上解决水分运移引起的病害,不仅增加成本,并且其长期性能尚不清楚。针对现有非饱和路基的内部水分运移规律进行研究,根据非饱和路基水分运移规律,一种新型路基形式被提出。在路基填土边坡上添加毛细阻滞层,进而有效减小路基中的水分运移。基于CODE_BRIGHT软件,通过比较有无毛细阻滞层的孔隙水压力和体积含水率分布,验证了毛细阻滞层在非饱和路基中的可行性。结果表明,毛细阻滞层下的路基,基质吸力变化明显减少。其影响范围缩小了80%,影响深度仅涉及到路基顶部,基质吸力的变化仅占普通路基的13%。根据吸力变化趋势可以预见,毛细阻滞层可以有效地降低路基的工后沉降和不均匀沉降。

膨润土-红黏土-石英砂基毛细阻滞覆盖层的实验研究

针对下伏防护层的毛细阻滞覆盖层的防渗特点,使用膨润土-红黏土-石英砂混合物对常用的黏土防护层进行改进实验研究。为了确定混合物中膨润土和石英砂的质量百分比对防护层功能的影响,首先采用变水头渗透、自由膨胀率测定和直剪实验研究了不同膨润土和石英砂含量的混合物,确定了两者作为防护层材料时的合适配比;其次,对膨润土-红黏土-石英砂基毛细阻滞覆盖层边坡模型和无防护结构边坡模型分别进行降雨条件下的对比实验,研究了毛细阻滞覆盖层的防渗效果。结果显示,膨润土和石英砂的质量分数分别为12%和5%时,试样的饱和渗透系数、自由膨胀率和抗剪强度均比其他组合更符合作为防护层材料的要求;毛细阻滞覆盖层边坡在中段和坡顶的入渗深度分别比无防护结构边坡浅10 cm和15.5 cm,其总排水时间比无防护结构边坡的长217 min,毛细阻滞覆盖层整体表现出了较好的防渗与导排效果。

以建筑垃圾为填料的湿润气候区毛细阻滞型覆盖层综合性能评价

利用建筑垃圾构筑毛细阻滞型覆盖层有利于解决建筑垃圾出路难题和覆盖层土料来源问题;对湿润气候区的毛细阻滞型覆盖层性能进行综合评价,有利于规范湿润区毛细阻滞型覆盖层的应用,因此具有重要的理论研究和实践应用价值。建立了以持水性、防渗性和抗滑性为指标的毛细阻滞型覆盖层综合性能评价体系,即当存储量(包括蒸发量)大于降雨入渗量的61.00%,渗漏比小于30.00 mm/当地年降雨入渗量,抗滑稳定安全系数大于1.35时,覆盖层综合性能良好。构建了以再生细骨料为持水层和营养植被层填料、再生粗骨料为排水层填料、固化泥饼为防渗层填料的毛细阻滞型覆盖层模型,通过Geo-studio软件分析了该毛细阻滞型覆盖层的持水能力、防渗性能、抗滑稳定性。结果表明:持水层存储量随持水层厚度增加而逐渐增大,防渗层渗漏量随持水层厚度增加和坡度变陡而逐渐减小,边坡稳定安全系数随坡度变陡和雨强增大而逐渐减小。因此,利用上述土料填筑的毛细阻滞型土质覆盖层应用于湿润气候区是可行的,建议持水层厚度不小于0.90 m,坡度不大于1∶2。

毛细阻滞覆盖层储水能力和击穿时间试验研究

毛细阻滞覆盖层目前在干旱、半干旱地区应用较成熟,但缺乏在湿润地区服役性能和设计准则的研究。为了明确毛细阻滞覆盖层在连续降雨作用下的服役性能,通过土柱降雨入渗试验,研究毛细阻滞覆盖层储水能力和击穿时间与降雨强度、细粒土层厚度和初始含水率的关系。试验结果表明:(1)降低细粒土层初始含水率、提高细粒土层厚度均有助于提升储水能力;(2)在试验厚度及含水率范围内,击穿时间随细粒土层初始含水率的降低和厚度的提高而线性增加,与降雨强度呈幂函数负相关关系,在饱和渗透系数附近,击穿时间随降雨强度的增长由迅速降低变为缓慢降低;(3)极端连续降雨条件下,毛细阻滞覆盖层的入渗速率首先由降雨强度控制,最终趋于饱和渗透系数,该过程可用等效入渗速率描述,降雨强度、初始含水率对等效入渗速率具有显著影响。基于试验结果,提出了毛细阻滞覆盖层的实用储水能力模型,推导了击穿时间的半经验–半理论计算模型,储水能力和击穿时间模型计算结果均与试验结果吻合,可作为毛细阻滞覆盖层在连续降雨条件下的设计依据。研究结果可为毛细阻滞覆盖层在湿润地区和极端降雨情况下的设计和维护提供参考。

细粗粒覆盖层对膨胀土边坡防渗效果数值研究

为了研究由一层细粒土层下覆一层粗粒土层组成的毛细阻滞护坡结构对膨胀土边坡防渗效果的影响,采用初应变法将膨胀土中湿度应力以类似温度应力场的形式施加到土体上,通过数值软件实现对膨胀土边坡吸湿膨胀的数值模拟,将等效塑性应变完全贯通作为边坡稳定性的判别准则。数值模拟结果表明:毛细阻滞护坡结构层形成强透水层,能有效防止降雨入渗,达到较好的护坡效果;0.5 m厚细粒土层+0.2 m厚粗粒土层组成的毛细阻滞结构护坡效果与1.5 m水泥改性土护坡结构相当。毛细阻滞生态护坡结构对膨胀土边坡有较好的护坡效果。研究成果可以为相关膨胀土边坡防护提供理论和设计依据。

湿润地区垃圾填埋场蒸发蒸腾覆盖层参数分析

蒸发蒸腾覆盖层相比传统覆盖层有许多优势,目前这种覆盖层主要应用于干旱和半干旱地区,但研究湿润地区垃圾填埋场蒸发蒸腾覆盖层的水分运移规律和工作性能很有必要。通过二维饱和-非饱和模型,分析覆盖层厚度、土壤类型、植被条件、气候条件等设计参数对蒸发蒸腾覆盖层防渗性能的影响,并对覆盖层中的水分运移规律及其工作性能和适用性进行研究。研究结果表明,随着覆盖层厚度和叶面积指数LAI增加,蒸发蒸腾覆盖层的最终透水量(穿过覆盖层水分)呈减小趋势,但覆盖层厚度和叶面积指数较大时透水量减小趋势不明显;拥有较大储水能力和适当渗透系数的覆盖层能够有效地减少透水量;降雨的季节性分布对蒸发蒸腾覆盖层性能有很大影响,当多雨期与高温期分布一致时,蒸发蒸腾覆盖层的性能可满足设计要求;在非饱和条件下,毛细阻滞型覆盖层利用粗-细粒土之间水力特性的差异形成毛细阻滞效应减少水分向下入渗,其防渗性能优于单一土层型覆盖层,但在不利气象条件组合下,该毛细阻滞作用可能失效,其防渗性能将大大下降。