大型水泥土屏障模型試驗研究

解子軍

(上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200032)

0 引言

目前，國內(nèi)填埋場采用的防滲措施主要有垂直隔離防滲和水平防滲。常見的用于控制污染物遷移的垂直隔離措施有:帷幕注漿、地下隔離墻、深層攪拌樁墻、鋼板樁墻、高壓噴射灌漿板墻等(許麗萍等，2006)。由于帷幕注漿和深層攪拌樁防滲在技術(shù)與經(jīng)濟上具有一定優(yōu)勢，在填埋場工程及污染場地中常作為首選方案(席永慧，2003)，其方法是水泥漿與土壤顆粒膠結(jié)形成滲透系數(shù)較小的隔離帷幕，以截斷污染物溶質(zhì)的遷移路徑，隔離污染物。但是在常規(guī)的設(shè)計中只把它當成防滲屏，未考慮污染物還可能通過擴散的形式遷移，所以需要測得隔離屏障的遷移參數(shù)，求出合理的使用壽命，以正確評價屏障的隔離效果。

考慮通過現(xiàn)場試驗測定遷移參數(shù)雖然較準確，但很難控制試驗條件，不僅試驗周期長，且會對環(huán)境造成污染，而模型試驗是排除法，可以重點研究1～2個影響因素。故本次研究擬通過大型模型屏障試驗來測定遷移參數(shù)。

根據(jù)調(diào)研，現(xiàn)有室內(nèi)試驗都是采用純黏土作為隔離屏障，但在實際工程中，水泥土垂直隔離屏障卻應(yīng)用得更加廣泛，而在國內(nèi)外針對水泥土屏障的研究卻鮮有報道。因此，希望通過本模型試驗獲得水泥土屏障遷移參數(shù)的研究成果，為指導水泥土屏障在工程中的應(yīng)用進行初步研究。

1 試驗方法

1.1 試驗方案設(shè)計

屏障的擴散系數(shù)主要取決于屏障本身的特性，本試驗選取水泥摻量和屏障厚度作為2個主要影響因素，設(shè)計了6個屏障試驗(表1)。

表1 屏障參數(shù)表

2.2 試驗材料

2.2.1 土樣 取自上海市某工地(第③層土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土)，風干后磨細過2.5 mm篩后儲存待用。具體顆粒組成見表2。

表2 土樣顆粒級配表

2.2.2 水泥 標號425。

2.2.3 儀器設(shè)備 試驗中使用的主要儀器設(shè)備有離心機(將取得的水樣、泥漿樣離心取得清樣)和原子吸收分光光度計(測金屬離子濃度)等。

2.2.4 污染物質(zhì) 經(jīng)過對上海地區(qū)大量的污染場地的取樣調(diào)查，檢測結(jié)果顯示上海地區(qū)重金屬污染較重的元素是Cd、Pb、Cu、Zn，故本試驗選擇其中的Zn作為污染離子，使用氯化鋅(分析純，質(zhì)量分數(shù)大于98.0%)作為污染物進行試驗。

2.3 試驗步驟

2.3.1 屏障模型的試驗裝置制作 根據(jù)一維屏障遷移擴散理論，設(shè)計的試驗模型如圖1所示。該模型由PVC板加工而成，板厚10 mm。模型的內(nèi)部尺寸如圖1所示:長×寬×高為1 200 mm×300 mm×300 mm。模型由2道水泥土屏障分成3個倉，中間倉作為污染源，其長度為600 mm，遠遠大于屏障厚度;兩邊倉長度為300 mm，裝未受污染的土。

圖1 試驗模型

總共制作4個模型，其屏障參數(shù)如表1。

(1)制作水泥土屏障時，兩側(cè)用PVC板作為模板，先將一定量的土和水泥事先混合均勻，再加入水泥質(zhì)量5%的水玻璃起到快凝作用，最后按60%的比例加水注入模板中。加水保證最后的拌合物有很好的流動性，便于制作較薄的水泥土墻。(2)養(yǎng)護成型:14天后，將需要裝土的一側(cè)的模板先拆除，用不銹鋼鋼絲網(wǎng)支護，外側(cè)再用木條支撐(圖2、圖 3)。

圖2 一側(cè)拆模后的屏障

圖3 屏障支護詳圖

2.3.2 土體密實 本試驗土樣為重塑土，在試驗前需先經(jīng)過風干、敲碎、過篩處理。

過篩后的土體放入4個加工成型的模型兩端的空倉中，并分層人工密實，密實過程中加少量水以增 加密實度。

2.3.3 加水固結(jié)土樣 土樣密實過后，為了使土樣充分飽和，開始2天加30%的水，以后每天加入少量的水，持續(xù)1.5個月后，打開出水孔處的水龍頭排出土中的水和氣，模擬自然固結(jié)的過程。排水固結(jié)的過程持續(xù)約2個星期后，關(guān)閉水龍頭。

2.3.4 配制污染物溶液 土樣基本飽和固結(jié)完畢后，拆除中間倉兩側(cè)的模板，為加入污染源溶液作準備。污染物采用ZnCl2溶液，將去離子水和配制好的溶液加入模型中間倉中，鋅離子濃度控制在0.3 mol/L左右。配制ZnCl2溶液過程中，出現(xiàn)了白色絮狀沉淀。配制好的溶液穩(wěn)定2天后，分別取上清液和帶有沉淀的渾濁液進行分析，利用滴定法測得溶液的準確鋅離子濃度，同時對沉淀進行定性分析。其中，沉淀溶于鹽酸，溶解過程不冒氣泡，確定不是Ca(OH)2和CaCO3;用NaOH去溶解，當pH值在6～8之間，有沉淀析出，但當pH值大于12時，沉淀又溶解了。因此，雜質(zhì)可定性分析為Zn(OH)2，因為Zn(OH)2是兩性的，溶于酸，也溶于堿;同時水泥土屏障和用來修補縫隙的水泥漿中都存在堿，會和ZnCl2反應(yīng)生成Zn(OH)2沉淀。Zn離子濃度見表3。

表3 各模型原始污染溶液的濃度

2.3.5 鉆孔 待土體基本固結(jié)完成后，利用麻花鉆和沖擊鉆鉆頭在飽和土中鉆出取樣孔，以備以后取水樣用。取樣孔離屏障的距離分別為2，6，9，12 cm(圖4)。

圖4 取樣孔位置分布圖

2.3.6 取樣 當完成上述所有的試驗步驟后，試驗的前期準備工作基本完成，可告一段落，下階段就是取樣檢測。取樣檢測時間經(jīng)過初步計算，定在4個月和6個月后進行。

從事先鉆好的孔中用針筒取得水樣，或者用長柄不銹鋼薄壁勺子取得泥漿樣，然后將樣進行離心以獲得清液，接著將清液稀釋，再利用原子吸收分光光度法測定溶液中的Zn離子濃度。

3 試驗結(jié)果及分析

本試驗共進行了2次取樣。第一次取樣時間為試驗前期準備工作完成后的4個月后;第二次取樣時間為6個月后。

3.1 第一次取樣結(jié)果

從圖5看出，有些屏障的另一側(cè)出現(xiàn)了較多的Zn離子，其主要原因有:① 為了加快屏障試驗的進度，在設(shè)計試驗的時候，設(shè)計的屏障水泥摻量較小，厚度較薄，所以金屬離子有可能在較短的時間內(nèi)通過屏障;②由于屏障的厚度和水泥摻量都較小，其剛度較小，易變形或出現(xiàn)裂縫，如裂縫出現(xiàn)，其測試結(jié)果剔除，不能應(yīng)用于遷移參數(shù)的研究。如圖5中H10C5、H10C7、H15C5所測得的數(shù)據(jù)不能用于計算遷移參數(shù)。

圖5 第一次樣品體積質(zhì)量統(tǒng)計圖

從得到的數(shù)據(jù)中也可以看出一些規(guī)律。圖6是厚度同為10 mm、水泥摻量不同的屏障的第一排取樣孔中得到的體積質(zhì)量比較結(jié)果。從中可以看出，隨著水泥摻量的增 大，干凈土中受污染的程度大幅降低，當水泥摻量為5%時，孔中體積質(zhì)量高達2 472.5 mg/L;當水泥摻量增 至7%時，孔中體積質(zhì)量降為1 718.9 mg/L;水泥摻量為12%甚至更高時，基本上已經(jīng)檢測不到了。這說明:隨著屏障水泥摻量的提高，屏障的隔離效果會大幅提升;對于某一特定的屏障(指某一特定污染源濃度和設(shè)計使用年限的屏障)，可以找到一個較為經(jīng)濟的水泥摻量值，例如本試驗中的12%。

圖7是水泥摻量同為5%、厚度不同的屏障的第一排取樣孔中得到的體積質(zhì)量比較結(jié)果。從中可以看出一個基本趨勢:隨著厚度的增 大，取樣孔中體積質(zhì)量降低。當厚度為10 mm時，孔中體積質(zhì)量高達2 472.5 mg/L;當厚度增 至20 mm時，孔中體積質(zhì)量降為9 51.8 mg/L;當厚度達到30 mm時，體積質(zhì)量為50.5 mg/L。數(shù)據(jù)表明:隨著屏障厚度的增 加，屏障的隔離效果會有顯著提升;但是其提升效果并不如水泥摻量那么明顯，當其厚度增 至原厚度的3倍時，仍有少量鋅離子擊穿屏障。而當水泥摻量增 至原摻量的2倍時，在試驗時間內(nèi)基本上阻隔了所有離子的通過。

圖8是3個不同屏障所對應(yīng)的不同取樣孔中體積質(zhì)量的比較結(jié)果。根據(jù)一維屏障遷移擴散理論，在平流的情況下，污染物的遷移主要取決于介質(zhì)的擴散系數(shù)D，那么本試驗中3個屏障一邊所用的土樣都是相同的，其擴散系數(shù)也相同，所以理論上來說，圖8中所得到的3條曲線應(yīng)該是吻合的。從中可以看到，得到的試驗結(jié)果基本符合理論預期，只有屏障H10C7在最初的2個點有點偏離，其原因可能有:人工鉆孔時位置有偏差;稀釋過后數(shù)據(jù)誤差累積;第一排孔和第二排孔的位置是錯開的，也有可能第二排孔所對應(yīng)的屏障位置存在較大裂縫。

圖6 10 mm厚不同水泥摻量的屏障的體積質(zhì)量結(jié)果

圖7 5%水泥摻量不同厚度的屏障體積質(zhì)量結(jié)果

圖8 距屏障不同距離的體積質(zhì)量結(jié)果

3.2 第二次取樣結(jié)果

在第一次取樣的2個月后，進行了第二次取樣，所得的結(jié)果列于圖5。

從圖9中可以看出:第一次取樣后得到的規(guī)律在第二次取樣時仍然成立。10 mm厚度的屏障第一排孔中的體積質(zhì)量隨著水泥摻量的提高顯著降低(圖10);5%水泥摻量的屏障第一排孔中的體積質(zhì)量隨著屏障厚度的增 大顯著降低(圖11);同一屏障中離屏障越遠的孔中的體積質(zhì)量越小(圖12)。

圖9 第二次樣品體積質(zhì)量統(tǒng)計圖

圖10 10 mm厚不同水泥摻量的屏障體積質(zhì)量結(jié)果

圖11 5%水泥摻量不同厚度的屏障體積質(zhì)量結(jié)果

圖12 屏障H15C5不同距離取樣孔的體積質(zhì)量結(jié)果

3.3 試驗結(jié)果分析

從圖13中可以看出，隨著試驗時間的延長，每一個對應(yīng)的取樣孔中的體積質(zhì)量都有較大幅度的增 長。其中屏障H10C9和H15C5的體積質(zhì)量增 長很快，而唯一未被擊穿的是水泥體積質(zhì)量最高的H10C15屏障;而與之相對的是厚度最大的屏障H30C5已被擊穿。

同時，根據(jù)已經(jīng)得到的2次取樣數(shù)據(jù)和一維彌散遷移方程，擬合得到不同水泥土屏障的擴散系數(shù)，擬合結(jié)果見圖14—圖17。求得的擴散系數(shù)見表4。

圖13 2次取樣數(shù)據(jù)比較

圖14 H10C9

圖15 H10C12

4 結(jié)論

(1)水泥摻量和屏障厚度能夠顯著地影響屏障的隔離效果:隨著水泥摻量的增 大，屏障的隔離效果增 強;隨著屏障厚度的增 大，屏障的隔離能力也增 大。但是在本試驗中，相對而言，水泥摻量的影響更大，屏障厚度的影響不如水泥摻量的影響顯著。所以，工程中屏障的設(shè)計，其水泥摻量將是重中之重。

圖16 H20C5

圖17 H30C5

表4 屏障的擴散系數(shù)

(2)通過試驗可以看出，距離屏障越遠，取樣孔中的體積質(zhì)量越小，這一規(guī)律符合遷移理論。由圖13可以看出，3月份時屏障H15C5被擊穿，但第2、3、4排孔中的體積質(zhì)量很小，說明取樣時該屏障剛被擊穿，而過去2個月后，距離屏障12 cm的4號孔中也檢測到了很大的Zn離子濃度。這充分說明金屬離子在土中的擴散很快，土的擴散系數(shù)D很大。所以在工程中設(shè)計屏障時應(yīng)做到在使用年限內(nèi)保證不被擊穿，否則其污染的危害將會大大增 加。

(3)在僅僅4個月的試驗時間里，有部分屏障(H10C5、H10C7、H15C5)已經(jīng)基本失效，其取樣孔中的體積質(zhì)量高達每升幾克，遠遠超出預期。其主要原因不是屏障已經(jīng)完全被擊穿，而是由于宏觀裂縫的存在。所以在工程設(shè)計屏障時應(yīng)充分考慮到屏障的抗裂性，要重視屏障的力學計算(包括抗裂驗算、應(yīng)力應(yīng)變等)，以保證其在使用年限內(nèi)不出現(xiàn)裂縫。因為一旦出現(xiàn)裂縫，盡管屏障還未達到使用年限，但也已失效。

(4)由圖13可知，僅相隔2個月時間，屏障H30C5的另一側(cè)體積質(zhì)量就已經(jīng)增 大了幾倍，說明當屏障被擊穿后，其隔離效果已大大降低，所以在設(shè)計屏障時應(yīng)充分考慮隔離屏障的使用年限。

(5)根據(jù)兩組試驗數(shù)據(jù)求得的擴散系數(shù)D非常小，數(shù)量級為10－6～10－7m2/a，而黏土的擴散系數(shù)數(shù)量級僅為10－2～10－3m2/a，可以說明水泥的加入能有效改善屏障的防擴散性能。由表4可知，水泥摻量由5%提高至10%，其擴散系數(shù)降低了一個數(shù)量級。充分說明水泥摻量對水泥土屏障的擴散系數(shù)D有著決定性影響。

本次模型試驗屏障從厚度和水泥摻量對隔離效果的影響進行了初步研究，為下階段的深入研究提供了基礎(chǔ)性資料，下階段研究可從摻入活性物質(zhì)(如膨潤土、石灰石等)的屏障遷移參數(shù)，結(jié)合實際工程，從擴散、力學性能、滲透等幾方面綜合計算，合理確定屏障的厚度和角度，以便進行進一步深化研究。

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