基于CT掃描的垃圾結(jié)構(gòu)及滲透特性

孟猛，秦蕊，羅鵬，柯瀚

(1.浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，浙江杭州，310058；2.浙江大學(xué)巖土工程研究所，浙江杭州，310058)

填埋是城市固體廢棄物(MSW)最常用的處置方法[1]。目前國內(nèi)各填埋場普遍存在滲濾液污染、堆體失穩(wěn)及填埋氣受抑制等問題，其與堆體的滲透特性密切相關(guān)。上覆壓力是滲透系數(shù)的主要影響因素，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗測試?yán)鴿B透系數(shù)。BEAVEN等[2]采用大型壓縮柱對新鮮生活垃圾進(jìn)行常水頭滲透試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力從34 kPa增加到463 kPa 時，滲透系數(shù)減小了3 個數(shù)量級。HUDSON[3]分別對新鮮垃圾及降解20年的垃圾進(jìn)行大尺寸滲透試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力由40 kPa 增大到603 kPa 時，滲透系數(shù)減小了4 個數(shù)量級。張文杰等[4]通過自制模型槽，得到深層、中層及淺層垃圾滲 透 系 數(shù) 分 別 為3.56×10-4，3.5×10-3和4.81×10-2cm/s。詹良通等[1]對蘇州七子山填埋場垃圾開展了室內(nèi)試驗，得到2.5～17.5 m 埋深下滲透系數(shù)介于1.4×10-5～5.5×10-4cm/s 之間。王櫻峰[5]自制試樣并對其進(jìn)行大尺寸滲透試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力增大到300 kPa，滲透系數(shù)減小了2個數(shù)量級。王文芳[6]對不同降解齡期自制垃圾進(jìn)行三軸滲透試驗，得到不同應(yīng)力條件下的飽和滲透系數(shù)介于10-6～10-3cm/s 之間。城市固體廢棄物組分多樣、尺寸不一，加之分層填埋的作業(yè)方式及塑料、紙質(zhì)等扁平顆粒的存在，使得垃圾呈現(xiàn)出明顯的成層性與各向異性[7-9]。作為一種非均質(zhì)的多孔介質(zhì)，垃圾滲透系數(shù)是介質(zhì)特性的函數(shù)，介質(zhì)特性主要包括垃圾的顆粒形狀及尺寸、孔徑及孔隙分布等[1,10]，介質(zhì)特性的多樣性引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性，因此，垃圾滲透系數(shù)也是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的函數(shù)。垃圾結(jié)構(gòu)的研究對于深入理解內(nèi)部流體的運移機(jī)制具有重要的意義。目前學(xué)者們主要采用切片[11]、示蹤曲線[12-13]等侵入性方法研究垃圾土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。非侵入性方法如CT掃描、核磁共振等已成功運用到巖石、土壤及混凝土等多孔介質(zhì)中[14-18]。由于CT 掃描方法具有高分辨率、可視化及非破壞性等特點[17]，該技術(shù)也逐漸應(yīng)用到垃圾土的結(jié)構(gòu)研究中。CAICEDO[11]采用CT 儀對垃圾類似物(砂與塑料片混合物)及垃圾廢渣(MBT)進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)CT 掃描技術(shù)可直觀地識別試樣內(nèi)部的磚瓦、陶瓷等高密度材料及塑料、紙質(zhì)等片狀材料，同時也能定量描述垃圾內(nèi)部孔隙信息。但迄今為止，尚無學(xué)者采用CT掃描技術(shù)對垃圾試樣在不同應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為進(jìn)一步加強對垃圾結(jié)構(gòu)的了解，更深入理解流體的運移機(jī)制，本文作者利用英國生產(chǎn)的XTH 225/320 LC儀器在不同荷載作用下對不同尺寸的自制垃圾試樣進(jìn)行掃描，從而獲得試樣的掃描圖像，同時采用VG-Studio Max 3.0 軟件對圖像重構(gòu)并進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。在此基礎(chǔ)上，利用MATLAB 進(jìn)行分析處理，以獲得垃圾試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨上覆壓力的變化信息，進(jìn)而探討顆粒尺寸及上覆壓力對垃圾滲透特性的影響。

1 試驗

1.1 試驗樣品

本文參照徐輝[19]所測“杭州新鮮生活垃圾組分?jǐn)?shù)據(jù)”人工配制新鮮垃圾50 kg，垃圾配比如表1所示。隨后將配制好的垃圾分為2份：其中，一份采用人工手剪的方式剪碎至顆粒長度約為2 cm，并將其裝至高為20 cm、內(nèi)徑分別為10 cm和20 cm的PVC 桶中；另一份剪碎至顆粒長度約為1 cm，同樣地將其裝至高為20 cm、內(nèi)徑為5 cm 的PVC桶中。

表1 垃圾試樣各組分配制比例Table 1 Composition of waste samples

1.2 試驗方法

采用英國尼康公司生產(chǎn)的XTH 225/320LC 掃描機(jī)對不同尺寸試樣進(jìn)行掃描，掃描參數(shù)設(shè)置如下：電壓為200 kV，電流為160 mA，每次掃描時間為1 h。試樣基本物理量參數(shù)如表2所示。

參考Caicedo 處理方法[11,20]，掃描完成后，采用VG-Studio Max V3.0 軟件對樣品進(jìn)行三維重構(gòu)分析，得到三維重構(gòu)樣及二維切片分別如圖1(a)和(b)所示，其為灰度圖，其中，黑色區(qū)域為孔隙部分，白色與灰色區(qū)域為骨架部分。之后基于MATLAB 平臺對圖片進(jìn)行二值化處理，所得二值化圖片如圖1(c)所示，其中，白色區(qū)域為孔隙部分，黑色區(qū)域為骨架部分。二值化的關(guān)鍵是閾值的選取，本文主要依據(jù)表2所示試樣實測總孔隙率進(jìn)行二值化劃分。最后，依據(jù)最大球法對試樣內(nèi)部孔隙進(jìn)行填充處理，便可得到孔隙分布信息。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試樣剖面分析

在MSW-1，MSW-2和MSW-3中分別選取直徑×高為50 mm×70 mm，100 mm×70 mm 和200 mm×70 mm 的部分作為感興趣區(qū)域(ROI)進(jìn)行分析。

圖2所示為試樣的典型縱剖圖，其中亮度較大的白色區(qū)域為磚瓦、橡膠等密度較大的材料，黑色區(qū)域為孔隙。由圖2可知：塑料、紙質(zhì)等片狀材料形成地層狀結(jié)構(gòu)及肉眼可見的大孔隙，在此將這些扁平的組分，如片材、塑料及紙等稱為2D顆粒，這類組分易在垃圾中形成優(yōu)先流通道，對滲流特性影響較大[11,21-22]。

表2 試樣基本物理量參數(shù)Table 2 Basic physical parameters of samples

圖1 試樣分析過程Fig.1 Sample analysis processes

圖2(a)所示為不同荷載作用下MSW-2 試樣的縱剖面圖。從圖2(a)可知：隨著荷載增大，大孔隙1 消失，大孔隙2 與3 則逐漸變細(xì)變小，組分排列越來越密集，垃圾密度也越來越大。這些大孔隙往往是優(yōu)先流的主要通道，隨著大孔隙減少，滲透系數(shù)也隨之減小。此外，大孔隙基本都沿著2D顆粒的排列而形成，隨著荷載增大，2D 顆粒排列趨于水平，孔隙通道也會隨之變得扁平，2D 顆粒的定向排列是垃圾各向異性的根本原因，進(jìn)而導(dǎo)致滲流各向異性值也會隨荷載的增大而增大。

圖2(b)所示為200 kPa 下3 個試樣的剖面圖。從圖2(b)可知：不同尺寸的試樣中均存在大于20 mm的大孔隙，且這些大孔隙也都沿著2D顆粒的排列而形成。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 孔隙角度分布

采用VG-Studio Max 3.0 標(biāo)識出孔隙部分，可得到各試樣孔隙分布圖，其中MSW-2試樣孔隙分布示意圖如圖3所示。

圖3(a)所示為孔隙分布的三維示意圖。從圖3(a)可知：孔隙所占比例較大，且存在很多連通孔隙。這些連通的大孔隙往往會成為優(yōu)先流的主要通道，因此，可將紅色區(qū)域視為液體流動路徑通道。

圖2 試樣典型縱剖面圖Fig.2 Typical cross-sections of samples

圖3 MSW-2孔隙分布及排列角度變化Fig.3 Pore distribution and arrangement angle of MSW-2

由圖3(b)可知：隨著荷載的增大，紅色區(qū)域面積越來越小，連通性也越來越差，說明在荷載作用下，垃圾顆粒變密實，孔隙隨之變細(xì)變小。同樣地，可發(fā)現(xiàn)液體流動路徑基本沿著2D 顆粒進(jìn)行，當(dāng)達(dá)到2D 顆粒邊緣時，流動路徑會發(fā)生轉(zhuǎn)折，故在此采用2D 顆粒排列角度表征孔隙角度，便可得到各試樣的孔隙排列角度。采用吳小雯[9]的孔隙排列規(guī)律模型對其進(jìn)行擬合，擬合情況如圖4所示。

圖4 孔隙列角度隨荷載變化擬合曲線Fig.4 Fitting curve of pore angle with load variation

2.2.2 孔隙直徑分布

基于MATLAB 平臺，采用最大球法編程便可得到各ROI的孔隙累積數(shù)量分布，參考吳小雯[9]建立的式(1)所示孔隙直徑概率分布函數(shù)，對孔隙直徑累積數(shù)量分布曲線進(jìn)行擬合：

式中：λ為孔隙直徑分布曲線變化系數(shù)；x為孔隙直徑。

經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)：在相同荷載下，MSW-2 與MSW-3所得參數(shù)λ接近，而與MSW-1所得λ則相差較大。由表2可知：MSW-2 與MSW-3 顆粒粒徑一樣，是MSW-1 粒徑的2 倍，而MSW-1 與MSW-2試樣直徑與顆粒粒徑比值(又稱“顆粒相對粒徑”)一樣，是MSW-3 顆粒相對粒徑的1/2，因此，相比于顆粒相對粒徑，垃圾顆粒粒徑對內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)影響較大。在此僅考慮顆粒粒徑的影響，將各試樣所得參數(shù)λ與所受荷載采用下式進(jìn)行擬合，所得結(jié)果如圖5所示。

式中：λt為任意荷載作用下孔隙直徑分布曲線變化系數(shù)，其值受應(yīng)力、顆粒粒徑及垃圾種類等因素的影響；b為顆粒粒徑參數(shù)，顆粒粒徑越大，b越大。參數(shù)a與垃圾種類有關(guān)，本試驗中a=16。

圖5 參數(shù)λ隨荷載變化Fig.5 Parameter λ varies with load

根據(jù)圖5得參數(shù)λ，進(jìn)而可獲得不同荷載作用下的孔隙分布情況。各孔隙累積分布曲線如圖6所示。從圖6可知：MSW-1 所得孔隙累積分布曲線在MSW-2 和MSW-3 曲線的左邊，即在相同荷載作用下，MSW-1內(nèi)部孔隙直徑相對較小。也就是說，顆粒粒徑越小，在不同壓力條件下，顆粒之間形成的孔隙間隙也越小。

圖6 不同荷載作用下孔隙累積分布曲線Fig.6 Pore cumulative distribution curves under different loads

對于同一試樣，隨著荷載增大，累積分布曲線左移，即大孔隙在荷載作用下逐漸變小，中、小孔隙所占比例增大；當(dāng)荷載小于200 kPa時，曲線左移幅度較大，之后移動幅度減小，這與垃圾的壓縮性隨荷載增加而減少一致。

2.3 垃圾滲透特性分析

可排水孔隙率為生活垃圾單位體積內(nèi)可自由導(dǎo)排的水量[9]，本文采用水量平衡方法[23]測定垃圾試樣的可排水孔隙率?？膳潘紫堵手饕軕?yīng)力影響，應(yīng)力越大，可排水孔隙率越小。將可排水孔隙率與荷載關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。

圖7 可排水孔隙率隨荷載變化Fig.7 Drainable porosity changes with load

基于吳小雯[9]提出的飽和滲流模型，將CT 掃描獲得的不同上覆壓力下孔隙尺寸及平均角度代入該模型中，可得各試樣滲透系數(shù)及各向異性值隨荷載變化情況，分別如圖8和圖9所示。

由圖8可知：在相同荷載作用下，試樣MSW-1 的滲透系數(shù)比MSW-2 與MSW-3 的略小，可見顆粒粒徑對滲透系數(shù)會產(chǎn)生影響，顆粒粒徑越大，滲透系數(shù)也越大；此外，顆粒粒徑對水平向滲透系數(shù)影響較豎向大，這主要是因為垃圾中存在很多2D顆粒，在荷載的作用下，2D顆粒趨于水平向排列，沿著顆粒表面形成滲流通道進(jìn)而導(dǎo)致滲流的各向異性，當(dāng)顆粒粒徑越大時，2D 效應(yīng)也就越明顯[11]。

圖8 滲透系數(shù)隨荷載變化Fig.8 Permeability coefficient varies with load

圖9 各向異性值隨荷載變化Fig.9 Anisotropy value varies with load

滲透系數(shù)隨荷載增大而減小。當(dāng)荷載由0 kPa增大到500 kPa 時，豎向滲透系數(shù)減小了4 個數(shù)量級，變化范圍為10-2～10-6cm/s；水平向滲透系數(shù)減小了3個數(shù)量級，變化范圍為10-2～10-5cm/s。對比其他文獻(xiàn)成果[1-3,6,24-30]，本文所得結(jié)果略比大尺寸及現(xiàn)場試驗的小，但能較好地擬合三軸試驗結(jié)果，其原因主要是尺寸效應(yīng)及側(cè)壁流的影響。本文采用的垃圾試樣顆粒粒徑與三軸試驗的接近，遠(yuǎn)比大尺寸試驗和現(xiàn)場試驗的小，垃圾粒徑越小，滲透系數(shù)也越小，因此，現(xiàn)場及大尺寸試驗所得滲透系數(shù)比本文和三軸試驗的大。此外，大尺寸滲透儀為剛性壁，存在側(cè)壁滲流的現(xiàn)象，故大尺寸剛性滲透試驗會高估垃圾滲透系數(shù)。

由圖9可知：荷載由0 kPa增大到500 kPa，各向異性值由2 逐漸增大到10，其他試驗[3,30]所得各向異性值在1～10 范圍內(nèi)，基本分布在本文所得曲線兩側(cè)。因此，本文所得各向異性值曲線能較好擬合前人試驗結(jié)果。

3 結(jié)論

1)利用CT掃描技術(shù)可準(zhǔn)確識別垃圾體中的大孔隙、2D材料(如塑料、橡膠)及成層結(jié)構(gòu)。此外，CT 掃描信息能很好地表征垃圾孔隙特征，因此，CT掃描技術(shù)是一種研究垃圾特性的有效方法。

2)隨著荷載增大，垃圾體內(nèi)大孔隙逐漸變細(xì)變小，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)樾】紫?，孔隙累積分布曲線整體向左移動，孔隙排列角度逐漸趨于水平化。

3)垃圾顆粒粒徑會影響孔隙結(jié)構(gòu)，顆粒粒徑越大，試樣內(nèi)部的大孔隙也越多，滲透系數(shù)也越大。滲透系數(shù)隨荷載增大而減小，當(dāng)荷載由0 kPa增大到500 kPa 時，豎向滲透系數(shù)減小了4 個數(shù)量級，水平向滲透系數(shù)減小了3個數(shù)量級。

4)骨架中的2D 顆粒會影響孔隙通道的形成，進(jìn)而使流動路徑發(fā)生曲折。2D 顆粒的定向排列是垃圾各向異性的根本原因，各向異性值隨荷載的增大而增大，當(dāng)荷載由0 kPa 增大到500 kPa 時，各向異性值由2增加到10。